Знания-сила

Что произойдёт в будущем с нашим Солнцем?

До 10 миллиардов лет

Что же будет дальше? Что произойдёт, когда всё больше водорода будет выгорать и в центре Солнца будет накапливаться гелий? Модельные расчеты показывают прежде всего, что в ближайшие 5 миллиардов лет практически ничего не изменится.

Диаграмма Г-Р звёзд из шарового скопления МЗ. На этом рисунке нанесен путь развития звёзд главной последовательности (чёрная стрелка), который показывает, как звёзды главной последовательности перемещаются в область красных гигантов.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит ещё на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Современное Солнце отличается от молодого только тем, что в его центральной области содержится некоторое количество гелия, возникшего в результате ядерных реакций. В то время как во внешних слоях на килограмм вещества приходится 270 граммов гелия, в центральных областях содержание достигает 590 граммов. Примерно 300 граммов на килограмм массы образовалось в результате сгорания водорода. Во внешнем слое солнечное вещество постоянно перемешивается. Каждый грамм вещества, достигший внешней поверхности, за некоторое время до этого находился в нижней части конвективного слоя, где температура вещества составляет около одного миллиона градусов. Это примерно в 170 раз выше температуры внешней поверхности.

Солнце будет медленно (как показано на рисунке) перемещаться вверх по своему пути развития на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Светимость Солнца при этом будет постепенно повышаться, а температура на его поверхности вначале станет чуть выше, а затем начнет медленно снижаться. Но все эти изменения будут невелики.

10 миллиардов лет и больше

Через 10 миллиардов лет после начала горения водорода светимость Солнца будет всего в два раза выше нынешней. К этому времени человечество (если оно ещё будет существовать на Земле) уже давно начнёт испытывать климатические трудности. Однако потом станет ещё хуже. А пока диаметр Солнца всего в два раза превышает нынешний.

Между тем, в недрах Солнца к этому времени уже произойдут существенные изменения. В центре весь водород уже будет исчерпан. Центральная область целиком заполнена гелием (см. рис. в). На этом рисунке изображена модель Солнца в возрасте 12 миллиардов лет. В центре не происходит ядерных реакций, поскольку весь водород уже выгорел, а для превращения гелия в углерод температура слишком мала. Только на поверхности этого гелиевого шара, там, где гелий граничит со слоем, богатым водородом, ещё происходит сгорание водорода. Постепенно выгорает и этот водород, а радиус гелиевой сферы в центре Солнца увеличивается.

Если сначала у нашего Солнца было ядро, где происходили ядерные реакции превращения водорода в гелий, то теперь горение водорода происходит в тонкой сферической оболочке, которая постепенно расширяется и перемещается во внешние области, всё еще богатые водородом. С течением времени диаметр гелиевого шара в центре Солнца становится всё больше. На диаграмме Г-Р Солнце перемещается направо вверх, в область красных гигантов (см. диаграмму). Солнечный шар становится всё больше и одновременно всё холоднее.

На рис. г показано Солнце на стадии красного гиганта. Хорошо видны толстая внешняя конвективная зона и относительно малое внутреннее гелиевое ядро, размеры которого близки к диаметру белого карлика. Белый карлик изображен для сравнения справа внизу в масштабе, увеличенном в 100 раз по сравнению с изображением центральной части звезды на рис. г. Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру и будет тратить «горючее» в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Наша звезда станет красным гигантом, размеры которого сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца!

Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100 раз больше, чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. В то же время температура поверхности существенно снизится. Она будет составлять всего 4000 градусов, т.е. на 1800 градусов меньше, чем теперь.

Но нас это уже не спасёт. К тому времени океаны на Земле давно уже испарятся, а под палящими лучами Солнца будет даже плавиться свинец. Земля превратиться в горячую печь, на которой уже не сможет существовать жизнь. Над безжи́зненной поверхностью Земли будет светить гигантский красный солнечный шар размером в полнеба. Было бы, конечно, интересно узнать, насколько верны эти предсказания компьютерной модели.

Когда температура центральной части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжелые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь очень большую плотность и размеры, как у Земли. Пройдёт ещё несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в белый карлик.

Реальна ли гибель жизни?

Наши наблюдения неплохо описывают основные свойства нынешнего Солнца. Но можно ли сделать из этого вывод, что модель так же хорошо предсказывает и печальные для людей последствия его развития? У нас есть для этого прямое подтверждение. Если нанести на диаграмму Г-Р звёзды из шарового скопления, то на главной последовательности не окажется звёзд, светимость которых в 3 раза и более превышает солнечную. Это соответствует примерно 1,3 массы Солнца. Дело в том, что наиболее яркие звёзды шарового скопления из главной последовательности уже «сожгли» свой водород. Звёзды, массы которых превышают солнечную в 1,3 раза и более, расположены на ветви, которая отходит от главной последовательности направо вверх, в область красных гигантов. Эти звёзды развивались примерно так же, как предсказывает наша модель Солнца. Масса этих звёзд совсем ненамного превышает солнечную.

На рис. вверху изображена диаграмма Г-Р для звёзд главной последовательности шарового скопления М3. На этой диаграмме чёрной стрелкой изображен путь развития звёзд, подобных Солнцу. Из рисунка хорошо видно, что звёзды шарового скопления развиваются так же, как будет развиваться Солнце в будущем. На диаграмме пока́заны звёзды, которые уже перемещаются по диаграмме направо вверх. Такая судьба постигнет и Солнце через 8 миллиардов лет. Более тяжелые звёзды опережают Солнце, они уже сегодня показывают нам, что ожидает в будущем наше Солнце. И если на некоторых планетах, образующихся вокруг этих звезд, когда-то была жизнь, то теперь эта жизнь там уже не существует, и все её следы давно сгорели в потоке тепла, который испускают эти звёзды. Таким образом, астрономические наблюдения подтверждают, что наши предсказания дальнейшей судьбы Солнца, к сожалению, пра́вильны.