Newton miał rację, pomylił tylko sprawcę. Układ Słoneczny nie umrze w spokoju
Trzysta lat po tym, jak Isaac Newton uznał mechanikę planet za z natury śmiertelną, współczesna astrofizyka przyznała mu rację.
Nowe symulacje zespołu Konstantina Batygina z Caltechu, opublikowane na łamach The Astrophysical Journal Letters burzą wieloletni dogmat o spokojnej starości zewnętrznych planet. Gdy Słońce zacznie umierać, nie powiększy po prostu granic swojego układu – w gwałtownych konwulsjach rozbije go od środka.
W dotychczasowych podręcznikach astronomii scenariusz końca naszego kosmicznego podwórka wydawał się dość uporządkowany, wręcz sterylny. Wiedzieliśmy, że za około pięć miliardów lat nasza dzienna gwiazda wyczerpie wodór, spuchnie w czerwonego olbrzyma i pochłonie Merkurego, Wenus, a najpewniej także Ziemię. Zakładano jednak, że gazowe olbrzymy – Jowisz, Saturn, Uran i Neptun – przetrwają tę apokalipsę bez większego uszczerbku.
Zgodnie z klasyczną mechaniką nieba utrata masy przez umierającą gwiazdę miała przebiegać powoli i adiabatycznie. W efekcie orbity gigantów miały się jedynie łagodnie rozszerzyć, tworząc zamrożony, cichy układ, zdolny trwać nawet 100 miliardów lat – aż do przypadkowego, bliskiego przejścia obcej gwiazdy.
Praca opublikowana w The Astrophysical Journal Letters przez zespół pod kierownictwem Konstantina Batygina unieważnia ten scenariusz. Zamiast spokoju, zewnętrzny Układ Słoneczny dostał wyrok: zaledwie kilkaset milionów do miliarda lat życia po wejściu Słońca w fazę białego karła.
Rachunek trzech ciał i obalony Laplace
Aby zrozumieć wagę tego odkrycia, trzeba cofnąć się do samego Newtona. Kiedy twórca klasycznej fizyki rozwiązał matematycznie problem dwóch ciał (Słońce i pojedyncza planeta), uzyskał idealne, wieczne elipsy Keplera. Jednak w chwili, gdy do równania dopisał wzajemne przyciąganie Jowisza i Saturna, stanął przed nierozwiązywalnym analitycznie problemem wielu ciał.
Newton widział, że gazowe giganty nieustannie szarpią się nawzajem. Doszedł do wniosku, że drobne perturbacje muszą się kumulować, prowadząc ostatecznie do katastrofy i rozpadu orbit – chyba że co jakiś czas zainterweniuje Stwórca, by ręcznie naregulować kosmiczny zegar. Sto lat później Pierre-Simon de Laplace ogłosił, że żadna boska interwencja nie jest potrzebna: wykazał, że wzajemne oddziaływania planet są w długiej skali okresowe, a grawitacyjny układ samoczynnie wraca do równowagi.
Przez kolejne stulecia żyliśmy w przekonaniu Laplace’a. Batygin udowodnił jednak, że ta rzekoma stabilność opierała się na jednym, błędnym fundamencie: założeniu, że centralna masa układu maleje w sposób płynny.
Grawitacyjny bilard w gasnącym świetle
Słońce na gałęzi czerwonych olbrzymów nie traci materii jak równomiernie parujący czajnik. Odrzucanie zewnętrznych powłok gazowych to proces stochastyczny, skokowy i chaotyczny. Zdaniem naukowców będzie następować prawdopodobnie w potężnych, nieregularnych pulsacjach termicznych.
Każdy taki gwałtowny wyrzut masy działa na układ planetarny jak nagłe szarpnięcie obrusem pod zastawą stołową. Zmiana siły grawitacyjnej gwiazdy centralnej następuje zbyt szybko, by orbity mogły dostosować się łagodnie.
W ułamku astronomicznego czasu delikatna siatka rezonansów orbitalnych, w której Jowisz i Saturn trzymały się przez miliardy lat, pęka. Zamiast stabilnych orbit kołowych pojawia się chaos. Gazowe giganty wpadają w fazę tzw. „terminalnej niestabilności” – zaczynają gwałtownie zacieśniać i wydłużać swoje trajektorie, wzajemnie pompując swój ekscentryzm.
Efekt końcowy przypomina kosmiczny bilard grawitacyjny. Część planet zderzy się ze sobą lub zostanie zepchnięta spiralnie prosto w stygnącego białego karła. Pozostałe zostaną z ogromną prędkością wyrzucone w przestrzeń międzygwiezdną, zasilając populację ciemnych, samotnych planet przemierzających Drogę Mleczną.
Śmiertelny mechanizm nieba
Jak podsumowuje to w pracy zespół Batygina: „Przewidziana przez Newtona niestabilność jest jednak faktem. Pomylił się jedynie co do sprawcy”. Katastrofy nie wywoła powolny uwiąd grawitacji ani obca gwiazda tnąca obłok Oorta.
Układ planetarny zostanie zniszczony przez ten sam obiekt, który powołał go do życia. Słońce w swojej agonii nie tylko nie zapewni schronienia zewnętrznym światom, ale dosłownie roztrzaska architekturę, którą zbudowało.
Z perspektywy astrofizycznej to zresztą doskonałe wytłumaczenie obserwacji, które od lat intrygowały teleskopy: w atmosferach wielu obserwowanych w naszej galaktyce białych karłów regularnie wykrywa się ślady ciężkich pierwiastków. To tak zwane „zanieczyszczone białe karły” – gwiezdne trupy, które na naszych oczach pożerają szczątki własnych, zdestabilizowanych układów planetarnych. Teraz wiemy, że prawdopodobnie ten sam los czeka Jowisza i Saturna.
Słynny sześciokąt ma młodszego brata. Hubble odkrył błękitny dziesięciokąt na biegunie Saturna
