Olbrzymie planety Układu Słonecznego rozpadają się w 9 na 10 symulacji

Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna od dawna uważano za najbardziej trwały mechanizm Układu Słonecznego – zbiór orbit, które mają przetrwać wszechświat wielokrotnie. Nowe symulacje pokazują, że samo Słońce zniszczy ten mechanizm podczas swojej śmierci, najprawdopodobniej w ciągu około miliarda lat od przekształcenia się w białego karła.

Winowajcą jest sposób, w jaki Słońce traci masę. Wcześniejsze obliczenia zakładały, że umierające Słońce będzie pozbywać się zewnętrznych warstw w sposób gładki, jak powolny wyciek, co rozciąga każdą orbitę, nie zaburzając porządku planet. Nowa praca – autorstwa Konstantina Batygina i Jima Fullera z Caltech oraz Freda Adamsa z University of Michigan – wychodzi od dowodów, że umierające gwiazdy wyrzucają swoje otoczki w osobnych, asymetrycznych rozbłyskach. Każdy rozbłysk popycha Słońce lekko, a planety odczuwają każdy z nich.

W setkach symulowanych przyszłości te popchnięcia się sumowały. W scenariuszu, który autorzy uznają za najbardziej zbliżony do obserwacji, około 40% symulowanych układów słonecznych było już zaburzonych lub gwałtownie przemieszanych w momencie powstawania białego karła, a mniej więcej dziewięć na dziesięć rozpadło się w ciągu 3 miliardów lat. W niektórych przebiegach Saturn został całkowicie wyrzucony z Układu Słonecznego. W innych Uran i Neptun zamieniły się miejscami.

Jeśli wynik się utrzyma, koniec Układu Słonecznego przestaje być odległym wypadkiem spowodowanym przez przelatującą gwiazdę. Staje się częścią tego, jak umiera Słońce, a ta sama logika dotyczy niemal każdego układu planetarnego w galaktyce, ponieważ prawie wszystkie gwiazdy kończą życie jako białe karły.

Dlaczego umierające Słońce popycha własne planety

Za około 5 miliardów lat Słońce rozrośnie się w czerwonego olbrzyma, a w fazach olbrzyma straci około 46% swojej masy. Przy mniejszej masie przyciągającej planety, oddalają się one na zewnątrz. W obrazie gładkim każda orbita rośnie o czynnik około 1,85, więc zewnętrzny Układ Słoneczny staje się większą, wolniejszą kopią tego, który znamy.

Wskazówka, że utrata masy nie jest gładka, pochodzi z obserwacji satelity Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej, który mapuje gwiazdy. Śledząc pary gwiazd krążących wokół siebie w dużych odległościach, astronomowie odkryli, że nowo powstałe białe karły poruszają się tak, jakby otrzymały kopniak o prędkości około 0,75 km na sekundę, czyli mniej więcej 2700 km/h. Gwiazda, która wyrzucałaby gaz równomiernie we wszystkich kierunkach, nie dostałaby żadnego kopniaka.

Wiodące wyjaśnienie – zaproponowany niedawno przez Fullera model – zakłada, że otoczka czerwonego olbrzyma uchodzi w postaci odrębnych piór, napędzanych przez mieszanie się zewnętrznych warstw. Teleskopy łączące światło z kilku zwierciadeł już pokazują oddzielne, przesuwające się obłoki pyłu wokół starzejących się gwiazd olbrzymów. Każde pióro popycha gwiazdę nieznacznie w losowym kierunku, a popchnięcia sumują się do obserwowanego kopnięcia.

Dla planet popchnięcie Słońca oznacza jednoczesne popchnięcie wszystkich orbit. W referencyjnym przypadku badania Słońce otrzymuje około 4600 odrzutów o prędkości kilku metrów na sekundę każdy, z medianą około 7 m/s. Pojedynczo są one maleńkie. Ponieważ trafiają w losowe punkty orbit planet, nie znoszą się, a orbity zaczynają wędrować. „Wszystko zmienia się, gdy otoczka odchodzi kawałkami” – piszą autorzy.

Jak to zrobili

Zespół wykorzystał rebound, szeroko stosowany kod open-source, który oblicza, jak ciała poruszają się pod wpływem wzajemnej grawitacji, i połączył go z modelem ewolucji Słońca zbudowanym przy użyciu MESA, standardowego programu do ewolucji gwiazd. Cztery planety olbrzymy rozpoczęły od swoich obecnych pozycji i prędkości, a Słońce następnie traciło masę wzdłuż tej ścieżki modelu.

Najpierw przeprowadzono eksperyment kontrolny. W ponad 60 przebiegach z gładką utratą masy wynik nigdy się nie zmieniał: orbity się rozszerzały, proporcje między okresami orbitalnymi planet pozostawały zamrożone, a układ pozostawał stabilny przez miliardy lat.

Następnie naukowcy rozbili utratę masy na części. Przeprowadzili 672 symulacje, zmieniając rozmiar każdego wyrzuconego pakietu gazu od jednej dziesięciomilionowej do jednej dziesięciotysięcznej masy Słońca, oraz zmieniając, czy rozbłyski obejmowały wszystkie fazy olbrzyma Słońca, czy tylko ostatnią, zwaną asymptotyczną gałęzią olbrzymów. Każdy stan końcowy był następnie obserwowany przez kolejne 3 miliardy lat bez przelatujących gwiazd ani innych zewnętrznych zakłóceń.

Od 10¹⁸ lat do około miliarda

Liczby, które zostają zastąpione, są ogromne. Sam chaos potrzebowałby około 10¹⁸ lat, czyli miliarda miliardów lat, aby zdestabilizować Urana. Dodanie przelatujących gwiazd, które w rozszerzonych orbitach znajdują łatwiejszy cel, skróciło oszacowanie do od 30 do 100 miliardów lat. Wszechświat ma około 13,8 miliarda lat.

Przy kalibracji preferowanej przez autorów Układ Słoneczny rozpada się sam około miliarda lat po powstaniu białego karła, sto razy szybciej niż oczekiwany czas do pierwszej destrukcyjnej przelatującej gwiazdy. W najbardziej gwałtownych przebiegach orbita Neptuna została rozciągnięta do ekscentryczności około 0,5, więc jego odległość od Słońca wahałaby się trzykrotnie między punktem najbliższym a najdalszym.

Kłopoty nie zawsze czekają na zakończenie umierania Słońca. W 37 z 48 przebiegów preferowanego scenariusza orbity zaczęły się przecinać przed zakończeniem utraty masy, najwcześniej, gdy Słońce było jeszcze czerwonym olbrzymem zachowującym 89% obecnej masy. W jednym przykładzie Saturn został wyrzucony w ciągu 2,5 miliona lat po narodzinach białego karła, pozostawiając Urana i Neptuna zablokowanych razem.

Izaak Newton podejrzewał, że wzajemne przyciąganie Jowisza i Saturna ostatecznie zniszczy porządek planet. Laplace i Lagrange później pokazali, że w ich przybliżeniu orbity jedynie oscylują, a trzysta lat obliczeń wciąż oddalało werdykt. „Newtonowska przewidywana niestabilność jest jednak realna. Pomylił się tylko co do sprawcy” – konkludują autorzy.

Nie każdy wynik był destrukcyjny. W niektórych przebiegach pary planet zostały uwięzione w rezonansach, rytmicznych wzorcach orbitalnych, jakich Układ Słoneczny nigdy nie miał: Jowisz i Saturn w stosunku 5:2, albo Uran wykonujący dwa obiegi na każdy obieg Neptuna. W 8 z 672 symulacji obie pary zostały uwięzione jednocześnie. Te zablokowane układy nie były bezpieczniejsze, a w najbardziej rozdrobnionych przebiegach przetrwały nieco rzadziej niż pozostałe.

Czego symulacje nie rozstrzygają

Wszystko zależy od wielkości, której nikt nie zmierzył bezpośrednio: jak duży jest każdy podmuch uciekającego gazu. Jeśli Słońce pozbywa się otoczki w pakietach o masie równej jednej dziesięciomilionowej jego masy lub mniejszej, rozbłyski w dużej mierze się uśredniają i Układ Słoneczny przetrwa jako powiększona kopia samego siebie. Gwałtowne scenariusze zaczynają dominować, gdy pakiety osiągną około jednej stutysięcznej masy Słońca.

Most od kopnięć Gai do rozmiaru pakietów to również interpretacja. Zakłada, że kopnięcia pochodzą z wielu niezależnych wyrzutów. Autorzy argumentują, że nawet dolna granica zmierzonego zakresu, 0,25 km na sekundę, implikuje pakiety już w reżimie gwałtownym. Zaznaczają też, że ich główny scenariusz rozciąga rozbłyski poza asymptotyczną gałąź olbrzymów, fazę, w której model jest najlepiej skalibrowany. Ograniczenie rozbłysków do tej fazy usunęło wszystkie wczesne rozpady podczas etapu czerwonego olbrzyma, ale mimo to 83% układów stało się niestabilnych w ciągu 3 miliardów lat.

Praca pomija planety wewnętrzne. Śledzi tylko cztery olbrzymy, więc Merkury, Wenus, Ziemia i Mars nie są częścią obliczeń. Wcześniejsze badania szacowały ryzyko Merkurego na około 1%: to szansa, że jego orbita stanie się niestabilna zanim Słońce opuści obecną fazę spalania wodoru.

Teoria dostarcza też przewidywań, które astronomowie mogą sprawdzić. Jeśli umierające gwiazdy rutynowo uwalniają swoje planety, młode białe karły powinny podróżować w towarzystwie populacji swobodnie pływających planet. W tych symulacjach olbrzymy były znacznie częściej wyrzucane niż zderzane, a szczątki, które spadają na białe karły, powinny pochodzić głównie z ciał skalistych, a nie planety olbrzymy, co zgadza się z materiałem skalistym zmierzonym dotychczas w zanieczyszczonych białych karłach.

Częste pytania o śmierć Słońca i planety

Czy Układ Słoneczny rozpadnie się, gdy umrze Słońce?

Według tych symulacji, prawdopodobnie tak dla planet olbrzymów. Jeśli Słońce traci swoje zewnętrzne warstwy w tysiącach oddzielnych rozbłysków, jak sugerują kopnięcia białych karłów, mniej więcej dziewięć na dziesięć symulowanych układów stało się niestabilnych w ciągu 3 miliardów lat od powstania białego karła. Przy gładkiej utracie masy planety pozostawały stabilne.

Kiedy Słońce stanie się czerwonym olbrzymem?

Za około 5 miliardów lat. Słońce straci wówczas około 46% swojej masy w fazach olbrzyma, zanim zakończy jako biały karzeł o masie około 0,54 masy Słońca. W badaniu rozpadu występują podczas tej utraty masy lub w kolejnych kilku miliardach lat.

Czym jest kopniak białego karła?

To niewielka prędkość, którą gwiazda wydaje się zyskiwać, gdy staje się białym karłem, około 0,75 km na sekundę według pomiarów Gai szerokich par gwiazd. Kopniak oznacza, że gwiazda traciła gaz nierównomiernie, a każdy nierównomierny rozbłysk popycha również planety na orbitach.

Czy Saturn naprawdę może zostać wyrzucony z Układu Słonecznego?

W niektórych symulacjach tak. W jednym przebiegu Saturn został wyrzucony w ciągu 2,5 miliona lat od powstania białego karła. Wśród planet olbrzymów wyrzuty były częstsze niż zderzenia, więc zagubione planety dryfowałyby po galaktyce jako swobodnie pływające światy.

Co dalej

Badanie ukazało się w The Astrophysical Journal Letters we wrześniu 2026 roku, po preprintcie na arXiv, i zyskało szersze omówienie 12 października. Jego centralna liczba może zostać doprecyzowana dzięki kolejnym pomiarom kopnięć białych karłów wykonanym przez Gai oraz lepszym modelom wyrzutu gazu przez olbrzymy. Autorzy wskazują również na planety i szczątki odkrywane wokół białych karłów jako zapis tego, jak umarła każda gwiazda, więc każdy nowy układ liczony tam testuje, czy olbrzymy Słońca są skazane na zagładę, czy jedynie powiększone.

Odniesienie: Batygin i in., „Terminal Instability of the Solar System Triggered by Stochastic Solar Mass Loss,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aea290

Tagi: astronomia, biały karzeł, Caltech, Konstantin Batygin, Słońce, Układ Słoneczny