Смерть Солнца

Как Солнце раздуется в красного гиганта, а потом угаснет белым карликом

Шаг за шагом

Солнце сегодня

Солнцу 4,6 миллиарда лет — это примерно половина его жизни. Каждую секунду его ядро превращает около 600 миллионов тонн водорода в гелий, и высвобождаемая энергия заставляет его светить.

Глубоко в ядре, при температуре около 15 миллионов °C, ядра водорода сталкиваются и сливаются в гелий. Каждый раз немного массы исчезает и превращается в энергию, как гласит формула Эйнштейна E = mc²: около четырёх миллионов тонн в секунду. Этой энергии нужны многие тысячи лет, чтобы пробиться к видимой нами поверхности.

Никто не может ждать миллиарды лет, чтобы увидеть, как стареет звезда, но это и не нужно. Небо полно звёзд примерно с массой Солнца, застигнутых на каждом этапе жизни — от новорождённых до мёртвых. Компьютерные модели того, как устроены звёзды, проверенные на всех них, рассказывают историю, которая следует дальше.

Размеры, температуры и даты здесь взяты из одной такой модели Солнца, построенной Клаусом-Петером Шрёдером и Робертом Конноном Смитом, которая следит за ним, пока оно не сбросит последний из своих внешних слоёв.

Всё ярче и ярче

По мере того как в ядре накапливается гелий, Солнце медленно становится ярче — примерно на 10% за каждый миллиард лет. Примерно через миллиард лет этого хватит, чтобы выкипели океаны Земли.

Гелий, пепел солнечного огня, накапливается в ядре. Это сильнее сжимает ядро и нагревает его, так что водород сгорает быстрее, и Солнце светит ярче. Когда оно родилось, оно светило лишь примерно на 70% от нынешней яркости.

Зелёное кольцо — это зона обитаемости, где планета вроде Земли могла бы сохранять жидкую воду. По мере того как Солнце становится ярче, кольцо сдвигается наружу. Примерно через миллиард лет его внутренний край пройдёт Землю: воздух наполнится водяным паром, который удерживает ещё больше тепла, и океаны начнут выкипать. Высоко в воздухе солнечный свет расщепляет воду, и её водород улетает в космос.

К концу этого этапа, примерно через 5,4 миллиарда лет, Солнце будет светить почти вдвое ярче, чем сегодня, а зона обитаемости сдвинется до орбиты Марса.

Ядро выгорает

Примерно через 5,4 миллиарда лет водород в ядре закончится. Ядро сожмётся и нагреется, водород продолжит гореть в оболочке вокруг него, а внешние слои Солнца начнут раздуваться.

Когда в центре не остаётся топлива, гелиевое ядро не может себя удержать и начинает сжиматься. Сжатие нагревает его, и этот жар поджигает водород в тонкой оболочке вокруг, которая горит быстрее, чем когда-либо горело ядро.

Лишняя энергия выталкивает внешние слои Солнца наружу. Расширяясь, они остывают, и Солнце из желтовато-белого становится оранжевым. Пунктирный круг показывает его сегодняшний размер.

Каждая звезда приходит к этому, когда в её ядре заканчивается водород, и чем тяжелее звезда, тем раньше. Звезда вдвое массивнее Солнца доходит до этого примерно за миллиард лет, а самые маленькие красные карлики будут светить триллионы лет — гораздо дольше, чем существует Вселенная.

Красный гигант

Сила тяжести на его поверхности будет примерно в сто тысяч раз слабее, чем сегодня. Кипящий газ поднимается там в нескольких гигантских ячейках, каждая почти шириной с расстояние от Земли до Солнца. В 2017 году телескоп VLT в Чили увидел такие ячейки на красном гиганте π¹ Журавля.

Удерживаемая так слабо, поверхность легко сдувается. Сильный ветер уносит треть массы Солнца ещё до того, как оно достигнет наибольшего размера. Раз планеты притягивает меньшая масса, их орбиты расширяются.

Судьба Земли

Задолго до этого Земля станет выжженным, расплавленным миром: когда Солнце будет в тысячу раз ярче, чем сейчас, тепла, доходящего до Земли, хватит, чтобы плавить камень.

Планета рядом со звездой-гигантом поднимает на ней выпуклость — так же, как Луна поднимает приливы в океанах Земли. Притяжение этой выпуклости тормозит планету, и она по спирали падает внутрь. В модели Шрёдера и Смита это побеждает расширение орбиты Земли, и Земля поглощается через миллион лет после Венеры.

Другие модели, с иной потерей массы, позволяют Земле уйти на более широкую орбиту. Это напряжённая гонка, и ответ зависит от того, как гиганты теряют массу, а это ещё измеряют.

Гелиевая вспышка

На вершине ядро нагревается примерно до 100 миллионов °C, и его гелий начинает гореть весь сразу, во вспышке. Затем Солнце сжимается примерно до 11 своих нынешних размеров и сжигает гелий более ста миллионов лет.

Чтобы гелий слился в углерод и кислород, нужно около 100 миллионов °C. К этому времени гелиевое ядро Солнца сжато так плотно, что при нагреве не расширяется и не остывает, как газ. Поэтому, как только гелий начинает гореть, процесс идёт вразнос: на несколько секунд ядро выделяет примерно столько же энергии, сколько целая галактика.

Наружу ничего не выходит. Энергия уходит на то, чтобы ослабить сжатие ядра, и на поверхности ничего не видно. Потом ядро спокойно сжигает свой гелий, и Солнце успокаивается — гораздо меньше, чем в виде красного гиганта, но всё ещё примерно в 50 раз ярче, чем сегодня.

Звёзды на этом этапе встречаются часто. На диаграммах цветов и яркостей звёзд они собираются в сгусток, а в старых звёздных скоплениях выстраиваются в полосу, которую астрономы называют горизонтальной ветвью.

Снова гигант

Когда в ядре заканчивается и гелий, Солнце снова раздувается в гиганта, теперь вокруг ядра из углерода и кислорода. Примерно раз в сто тысяч лет его горящие оболочки вспыхивают, и оно сбрасывает внешние слои.

Теперь гелий горит в оболочке вокруг ядра из углерода и кислорода, а водород — в ещё одной оболочке снаружи. Они горят по очереди: водородная оболочка накапливает гелий, пока гелиевая оболочка не вспыхнет — это тепловой импульс, — а потом всё снова успокаивается.

На этот раз Солнце вырастает примерно в 180 раз по сравнению с нынешним размером — меньше, чем в виде красного гиганта, — так что Марс и планеты за ним уцелеют. Оно теряет почти пятую часть оставшейся массы в медленном ветре из газа и пыли.

Умирающие гиганты вроде этого окутаны оболочками газа и пыли. Вокруг красного гиганта R Скульптора телескоп ALMA увидел оболочку, сброшенную в одном из таких импульсов. Значительная часть пыли в нашей Галактике образовалась в подобных ветрах.

Светящееся облако

Планетарные туманности не имеют никакого отношения к планетам: в первые телескопы они выглядели круглыми, как планеты. В нашей Галактике их известны тысячи, и каждая — последний вздох звезды вроде Солнца.

Обнажённое ядро светит в основном ультрафиолетом, который отрывает электроны от атомов газа. Когда атомы снова захватывают электроны, каждый элемент светится своими цветами: кислород — сине-зелёным у горячего ядра, водород и азот — красным дальше от него. Цвета здесь следуют этой схеме, как у настоящих туманностей.

Долгое время астрономы думали, что звезда такой малой массы, как Солнце, не может создать видимую туманность: её ядро нагревалось бы слишком медленно, и газ рассеялся бы раньше, чем засветится. Новые модели, опубликованные в 2018 году, показывают, что оно нагревается достаточно быстро. Туманность Солнца будет тусклой, но достаточно яркой, чтобы её было видно из других галактик.

Газ разлетается со скоростью в десятки километров в секунду. Примерно через 10 000 лет он становится слишком разреженным, чтобы светиться, и рассеивается в Галактике, где когда-нибудь, возможно, станет частью новых звёзд и планет.

Белый карлик

Белый карлик настолько плотен, что чайная ложка его вещества весила бы примерно как автомобиль. Держат его только электроны: сжатые так тесно, как позволяет природа, они сопротивляются дальнейшему сжатию.

Но и у электронов есть предел. Ни один белый карлик не может быть тяжелее примерно 1,4 Солнца: сверх этого не выдерживают даже они, и звезда сжимается дальше.

Сириус B, спутник самой яркой звезды ночного неба, — такой же белый карлик: примерно такой же массы, как Солнце, и меньше Земли.

Медленное угасание

Уцелевшие планеты обращаются вокруг белого карлика по орбитам почти вдвое шире нынешних. За миллиарды лет он остывает и тускнеет. Ни один белый карлик во Вселенной ещё не успел погаснуть.

Белый карлик светит только оставшимся теплом. Сначала он остывает быстро, а потом всё медленнее. Самые старые известные белые карлики остывают около десяти миллиардов лет и всё ещё слабо светятся. Чтобы остыть до холодного тёмного чёрного карлика, нужно гораздо больше времени, чем существует Вселенная.

На многие белые карлики падает каменная пыль — обломки их астероидов и планет. У некоторых планеты ещё остались: в 2020 году у белого карлика WD 1856+534 нашли планету размером с Юпитер.