Сценарии будущего развития солнечной системы кратко

The formation of the Solar System began about 4.6 billion years ago with the gravitational collapse of a small part of a giant molecular cloud.^[1] Most of the collapsing mass collected in the center, forming the Sun, while the rest flattened into a protoplanetary disk out of which the planets, moons, asteroids, and other small Solar System bodies formed.

This model, known as the nebular hypothesis, was first developed in the 18th century by Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant, and Pierre-Simon Laplace. Its subsequent development has interwoven a variety of scientific disciplines including astronomy, chemistry, geology, physics, and planetary science. Since the dawn of the Space Age in the 1950s and the discovery of exoplanets in the 1990s, the model has been both challenged and refined to account for new observations.

The Solar System has evolved considerably since its initial formation. Many moons have formed from circling discs of gas and dust around their parent planets, while other moons are thought to have formed independently and later to have been captured by their planets. Still others, such as Earth’s Moon, may be the result of giant collisions. Collisions between bodies have occurred continually up to the present day and have been central to the evolution of the Solar System. The positions of the planets might have shifted due to gravitational interactions.^[2] This planetary migration is now thought to have been responsible for much of the Solar System’s early evolution.^{[according to whom?]}

In roughly 5 billion years, the Sun will cool and expand outward to many times its current diameter (becoming a red giant), before casting off its outer layers as a planetary nebula and leaving behind a stellar remnant known as a white dwarf. In the far distant future, the gravity of passing stars will gradually reduce the Sun’s retinue of planets. Some planets will be destroyed, and others ejected into interstellar space. Ultimately, over the course of tens of billions of years, it is likely that the Sun will be left with none of the original bodies in orbit around it.^[3]

History[edit]

Ideas concerning the origin and fate of the world date from the earliest known writings; however, for almost all of that time, there was no attempt to link such theories to the existence of a «Solar System», simply because it was not generally thought that the Solar System, in the sense we now understand it, existed. The first step toward a theory of Solar System formation and evolution was the general acceptance of heliocentrism, which placed the Sun at the centre of the system and the Earth in orbit around it. This concept had developed for millennia (Aristarchus of Samos had suggested it as early as 250 BC), but was not widely accepted until the end of the 17th century. The first recorded use of the term «Solar System» dates from 1704.^[4]

The current standard theory for Solar System formation, the nebular hypothesis, has fallen into and out of favour since its formulation by Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant, and Pierre-Simon Laplace in the 18th century. The most significant criticism of the hypothesis was its apparent inability to explain the Sun’s relative lack of angular momentum when compared to the planets.^[5] However, since the early 1980s studies of young stars have shown them to be surrounded by cool discs of dust and gas, exactly as the nebular hypothesis predicts, which has led to its re-acceptance.^[6]

Understanding of how the Sun is expected to continue to evolve required an understanding of the source of its power. Arthur Stanley Eddington’s confirmation of Albert Einstein’s theory of relativity led to his realisation that the Sun’s energy comes from nuclear fusion reactions in its core, fusing hydrogen into helium.^[7] In 1935, Eddington went further and suggested that other elements also might form within stars.^[8] Fred Hoyle elaborated on this premise by arguing that evolved stars called red giants created many elements heavier than hydrogen and helium in their cores. When a red giant finally casts off its outer layers, these elements would then be recycled to form other star systems.^[8]

Formation[edit]

Presolar nebula[edit]

The nebular hypothesis says that the Solar System formed from the gravitational collapse of a fragment of a giant molecular cloud,^[9] most likely at the edge of a Wolf-Rayet bubble.^[10] The cloud was about 20 parsecs (65 light years) across,^[9] while the fragments were roughly 1 parsec (three and a quarter light-years) across.^[11] The further collapse of the fragments led to the formation of dense cores 0.01–0.1 parsec (2,000–20,000 AU) in size.^[a][9][12] One of these collapsing fragments (known as the presolar nebula) formed what became the Solar System.^[13] The composition of this region with a mass just over that of the Sun (M_☉) was about the same as that of the Sun today, with hydrogen, along with helium and trace amounts of lithium produced by Big Bang nucleosynthesis, forming about 98% of its mass. The remaining 2% of the mass consisted of heavier elements that were created by nucleosynthesis in earlier generations of stars.^[14] Late in the life of these stars, they ejected heavier elements into the interstellar medium.^[15]

The oldest inclusions found in meteorites, thought to trace the first solid material to form in the presolar nebula, are 4,568.2 million years old, which is one definition of the age of the Solar System.^[1] Studies of ancient meteorites reveal traces of stable daughter nuclei of short-lived isotopes, such as iron-60, that only form in exploding, short-lived stars. This indicates that one or more supernovae occurred nearby. A shock wave from a supernova may have triggered the formation of the Sun by creating relatively dense regions within the cloud, causing these regions to collapse.^[16][17] The highly homogeneous distribution of iron-60 in the Solar System points to the occurrence of this supernova and its injection of iron-60 being well before the accretion of nebular dust into planetary bodies.^[18] Because only massive, short-lived stars produce supernovae, the Sun must have formed in a large star-forming region that produced massive stars, possibly similar to the Orion Nebula.^[19][20] Studies of the structure of the Kuiper belt and of anomalous materials within it suggest that the Sun formed within a cluster of between 1,000 and 10,000 stars with a diameter of between 6.5 and 19.5 light years and a collective mass of 3,000 M_☉. This cluster began to break apart between 135 million and 535 million years after formation.^[21][22] Several simulations of our young Sun interacting with close-passing stars over the first 100 million years of its life produce anomalous orbits observed in the outer Solar System, such as detached objects.^[23]

Because of the conservation of angular momentum, the nebula spun faster as it collapsed. As the material within the nebula condensed, the atoms within it began to collide with increasing frequency, converting their kinetic energy into heat. The center, where most of the mass collected, became increasingly hotter than the surrounding disc.^[11] Over about 100,000 years,^[9] the competing forces of gravity, gas pressure, magnetic fields, and rotation caused the contracting nebula to flatten into a spinning protoplanetary disc with a diameter of about 200 AU^[11] and form a hot, dense protostar (a star in which hydrogen fusion has not yet begun) at the centre.^[24]

At this point in its evolution, the Sun is thought to have been a T Tauri star.^[25] Studies of T Tauri stars show that they are often accompanied by discs of pre-planetary matter with masses of 0.001–0.1 M_☉.^[26] These discs extend to several hundred AU—the Hubble Space Telescope has observed protoplanetary discs of up to 1000 AU in diameter in star-forming regions such as the Orion Nebula^[27]—and are rather cool, reaching a surface temperature of only about 1,000 K (730 °C; 1,340 °F) at their hottest.^[28]
Within 50  million years, the temperature and pressure at the core of the Sun became so great that its hydrogen began to fuse, creating an internal source of energy that countered gravitational contraction until hydrostatic equilibrium was achieved.^[29] This marked the Sun’s entry into the prime phase of its life, known as the main sequence. Main-sequence stars derive energy from the fusion of hydrogen into helium in their cores. The Sun remains a main-sequence star today.^[30]

As the early Solar System continued to evolve, it eventually drifted away from its siblings in the stellar nursery, and continued orbiting the Milky Way’s center on its own. The Sun likely drifted from its original orbital distance from the center of the galaxy. The chemical history of the Sun suggests it may have formed as much as 3 kpc closer to the galaxy core.^[31]

Formation of the planets[edit]

The various planets are thought to have formed from the solar nebula, the disc-shaped cloud of gas and dust left over from the Sun’s formation.^[32] The currently accepted method by which the planets formed is accretion, in which the planets began as dust grains in orbit around the central protostar. Through direct contact and self-organization, these grains formed into clumps up to 200 m (660 ft) in diameter, which in turn collided to form larger bodies (planetesimals) of ~10 km (6.2 mi) in size. These gradually increased through further collisions, growing at the rate of centimetres per year over the course of the next few million years.^[33]

The inner Solar System, the region of the Solar System inside 4 AU, was too warm for volatile molecules like water and methane to condense, so the planetesimals that formed there could only form from compounds with high melting points, such as metals (like iron, nickel, and aluminium) and rocky silicates. These rocky bodies would become the terrestrial planets (Mercury, Venus, Earth, and Mars). These compounds are quite rare in the Universe, comprising only 0.6% of the mass of the nebula, so the terrestrial planets could not grow very large.^[11] The terrestrial embryos grew to about 0.05 Earth masses (M_Earth) and ceased accumulating matter about 100,000 years after the formation of the Sun; subsequent collisions and mergers between these planet-sized bodies allowed terrestrial planets to grow to their present sizes.^[34]

When the terrestrial planets were forming, they remained immersed in a disk of gas and dust. The gas was partially supported by pressure and so did not orbit the Sun as rapidly as the planets. The resulting drag and, more importantly, gravitational interactions with the surrounding material caused a transfer of angular momentum, and as a result the planets gradually migrated to new orbits. Models show that density and temperature variations in the disk governed this rate of migration,^[35][36] but the net trend was for the inner planets to migrate inward as the disk dissipated, leaving the planets in their current orbits.^[37]

The giant planets (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) formed further out, beyond the frost line, which is the point between the orbits of Mars and Jupiter where the material is cool enough for volatile icy compounds to remain solid. The ices that formed the Jovian planets were more abundant than the metals and silicates that formed the terrestrial planets, allowing the giant planets to grow massive enough to capture hydrogen and helium, the lightest and most abundant elements.^[11] Planetesimals beyond the frost line accumulated up to 4 M_Earth within about 3 million years.^[34] Today, the four giant planets comprise just under 99% of all the mass orbiting the Sun.^[b] Theorists believe it is no accident that Jupiter lies just beyond the frost line. Because the frost line accumulated large amounts of water via evaporation from infalling icy material, it created a region of lower pressure that increased the speed of orbiting dust particles and halted their motion toward the Sun. In effect, the frost line acted as a barrier that caused the material to accumulate rapidly at ~5 AU from the Sun. This excess material coalesced into a large embryo (or core) on the order of 10 M_Earth, which began to accumulate an envelope via accretion of gas from the surrounding disc at an ever-increasing rate.^[38][39] Once the envelope mass became about equal to the solid core mass, growth proceeded very rapidly, reaching about 150 Earth masses ~10⁵ years thereafter and finally topping out at 318 M_Earth.^[40] Saturn may owe its substantially lower mass simply to having formed a few million years after Jupiter, when there was less gas available to consume.^[34][41]

T Tauri stars like the young Sun have far stronger stellar winds than more stable, older stars. Uranus and Neptune are thought to have formed after Jupiter and Saturn did, when the strong solar wind had blown away much of the disc material. As a result, those planets accumulated little hydrogen and helium—not more than 1 M_Earth each. Uranus and Neptune are sometimes referred to as failed cores.^[42] The main problem with formation theories for these planets is the timescale of their formation. At the current locations it would have taken millions of years for their cores to accrete.^[41] This means that Uranus and Neptune may have formed closer to the Sun—near or even between Jupiter and Saturn—and later migrated or were ejected outward (see Planetary migration below).^[42][43] Motion in the planetesimal era was not all inward toward the Sun; the Stardust sample return from Comet Wild 2 has suggested that materials from the early formation of the Solar System migrated from the warmer inner Solar System to the region of the Kuiper belt.^[44]

After between three and ten million years,^[34] the young Sun’s solar wind would have cleared away all the gas and dust in the protoplanetary disc, blowing it into interstellar space, thus ending the growth of the planets.^[45][46]

Subsequent evolution[edit]

The planets were originally thought to have formed in or near their current orbits. This has been questioned during the last 20 years. Currently, many planetary scientists think that the Solar System might have looked very different after its initial formation: several objects at least as massive as Mercury were present in the inner Solar System, the outer Solar System was much more compact than it is now, and the Kuiper belt was much closer to the Sun.^[47]

Terrestrial planets[edit]

At the end of the planetary formation epoch the inner Solar System was populated by 50–100 Moon- to Mars-sized protoplanets.^[48][49] Further growth was possible only because these bodies collided and merged, which took less than 100 million years. These objects would have gravitationally interacted with one another, tugging at each other’s orbits until they collided, growing larger until the four terrestrial planets we know today took shape.^[34] One such giant collision is thought to have formed the Moon (see Moons below), while another removed the outer envelope of the young Mercury.^[50]

One unresolved issue with this model is that it cannot explain how the initial orbits of the proto-terrestrial planets, which would have needed to be highly eccentric to collide, produced the remarkably stable and nearly circular orbits they have today.^[48] One hypothesis for this «eccentricity dumping» is that the terrestrials formed in a disc of gas still not expelled by the Sun. The «gravitational drag» of this residual gas would have eventually lowered the planets’ energy, smoothing out their orbits.^[49] However, such gas, if it existed, would have prevented the terrestrial planets’ orbits from becoming so eccentric in the first place.^[34] Another hypothesis is that gravitational drag occurred not between the planets and residual gas but between the planets and the remaining small bodies. As the large bodies moved through the crowd of smaller objects, the smaller objects, attracted by the larger planets’ gravity, formed a region of higher density, a «gravitational wake», in the larger objects’ path. As they did so, the increased gravity of the wake slowed the larger objects down into more regular orbits.^[51]

Asteroid belt[edit]

The outer edge of the terrestrial region, between 2 and 4 AU from the Sun, is called the asteroid belt. The asteroid belt initially contained more than enough matter to form 2–3 Earth-like planets, and, indeed, a large number of planetesimals formed there. As with the terrestrials, planetesimals in this region later coalesced and formed 20–30 Moon- to Mars-sized planetary embryos;^[52] however, the proximity of Jupiter meant that after this planet formed, 3 million years after the Sun, the region’s history changed dramatically.^[48] Orbital resonances with Jupiter and Saturn are particularly strong in the asteroid belt, and gravitational interactions with more massive embryos scattered many planetesimals into those resonances. Jupiter’s gravity increased the velocity of objects within these resonances, causing them to shatter upon collision with other bodies, rather than accrete.^[53]

As Jupiter migrated inward following its formation (see Planetary migration below), resonances would have swept across the asteroid belt, dynamically exciting the region’s population and increasing their velocities relative to each other.^[54] The cumulative action of the resonances and the embryos either scattered the planetesimals away from the asteroid belt or excited their orbital inclinations and eccentricities.^[52][55] Some of those massive embryos too were ejected by Jupiter, while others may have migrated to the inner Solar System and played a role in the final accretion of the terrestrial planets.^[52][56][57] During this primary depletion period, the effects of the giant planets and planetary embryos left the asteroid belt with a total mass equivalent to less than 1% that of the Earth, composed mainly of small planetesimals.^[55]
This is still 10–20 times more than the current mass in the main belt, which is now about 0.0005 M_Earth.^[58] A secondary depletion period that brought the asteroid belt down close to its present mass is thought to have followed when Jupiter and Saturn entered a temporary 2:1 orbital resonance (see below).

The inner Solar System’s period of giant impacts probably played a role in the Earth acquiring its current water content (~6×10²¹ kg) from the early asteroid belt. Water is too volatile to have been present at Earth’s formation and must have been subsequently delivered from outer, colder parts of the Solar System.^[59] The water was probably delivered by planetary embryos and small planetesimals thrown out of the asteroid belt by Jupiter.^[56] A population of main-belt comets discovered in 2006 has also been suggested as a possible source for Earth’s water.^[59][60] In contrast, comets from the Kuiper belt or farther regions delivered not more than about 6% of Earth’s water.^[2][61] The panspermia hypothesis holds that life itself may have been deposited on Earth in this way, although this idea is not widely accepted.^[62]

Planetary migration[edit]

According to the nebular hypothesis, the outer two planets may be in the «wrong place». Uranus and Neptune (known as the «ice giants») exist in a region where the reduced density of the solar nebula and longer orbital times render their formation there highly implausible.^[63] The two are instead thought to have formed in orbits near Jupiter and Saturn (known as the «gas giants»), where more material was available, and to have migrated outward to their current positions over hundreds of millions of years.^[42]

The migration of the outer planets is also necessary to account for the existence and properties of the Solar System’s outermost regions.^[43] Beyond Neptune, the Solar System continues into the Kuiper belt, the scattered disc, and the Oort cloud, three sparse populations of small icy bodies thought to be the points of origin for most observed comets. At their distance from the Sun, accretion was too slow to allow planets to form before the solar nebula dispersed, and thus the initial disc lacked enough mass density to consolidate into a planet.^[63] The Kuiper belt lies between 30 and 55 AU from the Sun, while the farther scattered disc extends to over 100 AU,^[43] and the distant Oort cloud begins at about 50,000 AU.^[64] Originally, however, the Kuiper belt was much denser and closer to the Sun, with an outer edge at approximately 30 AU. Its inner edge would have been just beyond the orbits of Uranus and Neptune, which were in turn far closer to the Sun when they formed (most likely in the range of 15–20 AU), and in 50% of simulations ended up in opposite locations, with Uranus farther from the Sun than Neptune.^[65][2][43]

According to the Nice model, after the formation of the Solar System, the orbits of all the giant planets continued to change slowly, influenced by their interaction with the large number of remaining planetesimals. After 500–600 million years (about 4 billion years ago) Jupiter and Saturn fell into a 2:1 resonance: Saturn orbited the Sun once for every two Jupiter orbits.^[43] This resonance created a gravitational push against the outer planets, possibly causing Neptune to surge past Uranus and plough into the ancient Kuiper belt.^[65]
The planets scattered the majority of the small icy bodies inwards, while themselves moving outwards. These planetesimals then scattered off the next planet they encountered in a similar manner, moving the planets’ orbits outwards while they moved inwards.^[43] This process continued until the planetesimals interacted with Jupiter, whose immense gravity sent them into highly elliptical orbits or even ejected them outright from the Solar System. This caused Jupiter to move slightly inward.^[c] Those objects scattered by Jupiter into highly elliptical orbits formed the Oort cloud;^[43] those objects scattered to a lesser degree by the migrating Neptune formed the current Kuiper belt and scattered disc.^[43] This scenario explains the Kuiper belt’s and scattered disc’s present low mass. Some of the scattered objects, including Pluto, became gravitationally tied to Neptune’s orbit, forcing them into mean-motion resonances.^[66] Eventually, friction within the planetesimal disc made the orbits of Uranus and Neptune near-circular again.^[43][67]

In contrast to the outer planets, the inner planets are not thought to have migrated significantly over the age of the Solar System, because their orbits have remained stable following the period of giant impacts.^[34]

Another question is why Mars came out so small compared with Earth. A study by Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, published June 6, 2011 (called the Grand tack hypothesis), proposes that Jupiter had migrated inward to 1.5 AU. After Saturn formed, migrated inward, and established the 2:3 mean motion resonance with Jupiter, the study assumes that both planets migrated back to their present positions. Jupiter thus would have consumed much of the material that would have created a bigger Mars. The same simulations also reproduce the characteristics of the modern asteroid belt, with dry asteroids and water-rich objects similar to comets.^[68][69] However, it is unclear whether conditions in the solar nebula would have allowed Jupiter and Saturn to move back to their current positions, and according to current estimates this possibility appears unlikely.^[70] Moreover, alternative explanations for the small mass of Mars exist.^[71][72][73]

Late Heavy Bombardment and after[edit]

Gravitational disruption from the outer planets’ migration would have sent large numbers of asteroids into the inner Solar System, severely depleting the original belt until it reached today’s extremely low mass.^[55] This event may have triggered the Late Heavy Bombardment that occurred approximately 4 billion years ago, 500–600 million years after the formation of the Solar System.^[2][74] This period of heavy bombardment lasted several hundred million years and is evident in the cratering still visible on geologically dead bodies of the inner Solar System such as the Moon and Mercury.^[2][75] The oldest known evidence for life on Earth dates to 3.8 billion years ago—almost immediately after the end of the Late Heavy Bombardment.^[76]

Impacts are thought to be a regular (if currently infrequent) part of the evolution of the Solar System. That they continue to happen is evidenced by the collision of Comet Shoemaker–Levy 9 with Jupiter in 1994, the 2009 Jupiter impact event, the Tunguska event, the Chelyabinsk meteor and the impact that created Meteor Crater in Arizona. The process of accretion, therefore, is not complete, and may still pose a threat to life on Earth.^[77][78]

Over the course of the Solar System’s evolution, comets were ejected out of the inner Solar System by the gravity of the giant planets and sent thousands of AU outward to form the Oort cloud, a spherical outer swarm of cometary nuclei at the farthest extent of the Sun’s gravitational pull. Eventually, after about 800 million years, the gravitational disruption caused by galactic tides, passing stars and giant molecular clouds began to deplete the cloud, sending comets into the inner Solar System.^[79] The evolution of the outer Solar System also appears to have been influenced by space weathering from the solar wind, micrometeorites, and the neutral components of the interstellar medium.^[80]

The evolution of the asteroid belt after Late Heavy Bombardment was mainly governed by collisions.^[81] Objects with large mass have enough gravity to retain any material ejected by a violent collision. In the asteroid belt this usually is not the case. As a result, many larger objects have been broken apart, and sometimes newer objects have been forged from the remnants in less violent collisions.^[81] Moons around some asteroids currently can only be explained as consolidations of material flung away from the parent object without enough energy to entirely escape its gravity.^[82]

Moons[edit]

Moons have come to exist around most planets and many other Solar System bodies. These natural satellites originated by one of three possible mechanisms:

• Co-formation from a circumplanetary disc (only in the cases of the giant planets);
• Formation from impact debris (given a large enough impact at a shallow angle); and
• Capture of a passing object.

Jupiter and Saturn have several large moons, such as Io, Europa, Ganymede and Titan, which may have originated from discs around each giant planet in much the same way that the planets formed from the disc around the Sun.^[83][84][85] This origin is indicated by the large sizes of the moons and their proximity to the planet. These attributes are impossible to achieve via capture, while the gaseous nature of the primaries also make formation from collision debris unlikely. The outer moons of the giant planets tend to be small and have eccentric orbits with arbitrary inclinations. These are the characteristics expected of captured bodies.^[86][87] Most such moons orbit in the direction opposite the rotation of their primary. The largest irregular moon is Neptune’s moon Triton, which is thought to be a captured Kuiper belt object.^[78]

Moons of solid Solar System bodies have been created by both collisions and capture. Mars’s two small moons, Deimos and Phobos, are thought to be captured asteroids.^[88]
The Earth’s Moon is thought to have formed as a result of a single, large head-on collision.^[89][90]
The impacting object probably had a mass comparable to that of Mars, and the impact probably occurred near the end of the period of giant impacts. The collision kicked into orbit some of the impactor’s mantle, which then coalesced into the Moon.^[89] The impact was probably the last in the series of mergers that formed the Earth.
It has been further hypothesized that the Mars-sized object may have formed at one of the stable Earth–Sun Lagrangian points (either L₄ or L₅) and drifted from its position.^[91] The moons of trans-Neptunian objects Pluto (Charon) and Orcus (Vanth) may also have formed by means of a large collision: the Pluto–Charon, Orcus–Vanth and Earth–Moon systems are unusual in the Solar System in that the satellite’s mass is at least 1% that of the larger body.^[92][93]

Future[edit]

Astronomers estimate that the current state of the Solar System will not change drastically until the Sun has fused almost all the hydrogen fuel in its core into helium, beginning its evolution from the main sequence of the Hertzsprung–Russell diagram and into its red-giant phase. The Solar System will continue to evolve until then. Eventually, the Sun will likely expand sufficiently to overwhelm the inner planets (Mercury, Venus, and possibly Earth) but not the outer planets, including Jupiter and Saturn. Afterward, the Sun would be reduced to the size of a white dwarf, and the outer planets and their moons would continue orbiting this diminutive solar remnant. This future development may be similar to the observed detection of MOA-2010-BLG-477L b, a Jupiter-sized exoplanet orbiting its host white dwarf star MOA-2010-BLG-477L.^[94][95][96]

Long-term stability[edit]

The Solar System is chaotic over million- and billion-year timescales,^[97] with the orbits of the planets open to long-term variations. One notable example of this chaos is the Neptune–Pluto system, which lies in a 3:2 orbital resonance. Although the resonance itself will remain stable, it becomes impossible to predict the position of Pluto with any degree of accuracy more than 10–20 million years (the Lyapunov time) into the future.^[98] Another example is Earth’s axial tilt, which, due to friction raised within Earth’s mantle by tidal interactions with the Moon (see below), is incomputable from some point between 1.5 and 4.5 billion years from now.^[99]

The outer planets’ orbits are chaotic over longer timescales, with a Lyapunov time in the range of 2–230 million years.^[100]
In all cases, this means that the position of a planet along its orbit ultimately becomes impossible to predict with any certainty (so, for example, the timing of winter and summer becomes uncertain). Still, in some cases, the orbits themselves may change dramatically. Such chaos manifests most strongly as changes in eccentricity, with some planets’ orbits becoming significantly more—or less—elliptical.^[101]

Ultimately, the Solar System is stable in that none of the planets are likely to collide with each other or be ejected from the system in the next few billion years.^[100] Beyond this, within five billion years or so, Mars’s eccentricity may grow to around 0.2, such that it lies on an Earth-crossing orbit, leading to a potential collision. In the same timescale, Mercury’s eccentricity may grow even further, and a close encounter with Venus could theoretically eject it from the Solar System altogether^[97] or send it on a collision course with Venus or Earth.^[102] This could happen within a billion years, according to numerical simulations in which Mercury’s orbit is perturbed.^[103]

Moon–ring systems[edit]

The evolution of moon systems is driven by tidal forces. A moon will raise a tidal bulge in the object it orbits (the primary) due to the differential gravitational force across diameter of the primary. If a moon is revolving in the same direction as the planet’s rotation and the planet is rotating faster than the orbital period of the moon, the bulge will constantly be pulled ahead of the moon. In this situation, angular momentum is transferred from the rotation of the primary to the revolution of the satellite. The moon gains energy and gradually spirals outward, while the primary rotates more slowly over time.

The Earth and its Moon are one example of this configuration. Today, the Moon is tidally locked to the Earth; one of its revolutions around the Earth (currently about 29 days) is equal to one of its rotations about its axis, so it always shows one face to the Earth. The Moon will continue to recede from Earth, and Earth’s spin will continue to slow gradually. Other examples are the Galilean moons of Jupiter (as well as many of Jupiter’s smaller moons)^[104] and most of the larger moons of Saturn.^[105]

A different scenario occurs when the moon is either revolving around the primary faster than the primary rotates or is revolving in the direction opposite the planet’s rotation. In these cases, the tidal bulge lags behind the moon in its orbit. In the former case, the direction of angular momentum transfer is reversed, so the rotation of the primary speeds up while the satellite’s orbit shrinks. In the latter case, the angular momentum of the rotation and revolution have opposite signs, so transfer leads to decreases in the magnitude of each (that cancel each other out).^[d] In both cases, tidal deceleration causes the moon to spiral in towards the primary until it either is torn apart by tidal stresses, potentially creating a planetary ring system, or crashes into the planet’s surface or atmosphere. Such a fate awaits the moons Phobos of Mars (within 30 to 50 million years),^[106] Triton of Neptune (in 3.6 billion years),^[107] and at least 16 small satellites of Uranus and Neptune. Uranus’s Desdemona may even collide with one of its neighboring moons.^[108]

A third possibility is where the primary and moon are tidally locked to each other. In that case, the tidal bulge stays directly under the moon, there is no angular momentum transfer, and the orbital period will not change. Pluto and Charon are an example of this type of configuration.^[109]

There is no consensus on the mechanism of the formation of the rings of Saturn. Although theoretical models indicated that the rings were likely to have formed early in the Solar System’s history,^[110] data from the Cassini–Huygens spacecraft suggests they formed relatively late.^[111]

The Sun and planetary environments[edit]

In the long term, the greatest changes in the Solar System will come from changes in the Sun itself as it ages. As the Sun burns through its hydrogen fuel supply, it gets hotter and burns the remaining fuel even faster. As a result, the Sun is growing brighter at a rate of ten percent every 1.1 billion years.^[112] In about 600 million years, the Sun’s brightness will have disrupted the Earth’s carbon cycle to the point where trees and forests (C3 photosynthetic plant life) will no longer be able to survive; and in around 800 million years, the Sun will have killed all complex life on the Earth’s surface and in the oceans. In 1.1 billion years, the Sun’s increased radiation output will cause its circumstellar habitable zone to move outwards, making the Earth’s surface too hot for liquid water to exist there naturally. At this point, all life will be reduced to single-celled organisms.^[113] Evaporation of water, a potent greenhouse gas, from the oceans’ surface could accelerate temperature increase, potentially ending all life on Earth even sooner.^[114] During this time, it is possible that as Mars’s surface temperature gradually rises, carbon dioxide and water currently frozen under the surface regolith will release into the atmosphere, creating a greenhouse effect that will heat the planet until it achieves conditions parallel to Earth today, providing a potential future abode for life.^[115] By 3.5 billion years from now, Earth’s surface conditions will be similar to those of Venus today.^[112]

Around 5.4 billion years from now, the core of the Sun will become hot enough to trigger hydrogen fusion in its surrounding shell.^[113] This will cause the outer layers of the star to expand greatly, and the star will enter a phase of its life in which it is called a red giant.^[116][117] Within 7.5 billion years, the Sun will have expanded to a radius of 1.2 AU (180×10⁶ km; 110×10⁶ mi)—256 times its current size. At the tip of the red-giant branch, as a result of the vastly increased surface area, the Sun’s surface will be much cooler (about 2,600 K (2,330 °C; 4,220 °F)) than now, and its luminosity much higher—up to 2,700 current solar luminosities. For part of its red-giant life, the Sun will have a strong stellar wind that will carry away around 33% of its mass.^{[113][118][119]} During these times, it is possible that Saturn’s moon Titan could achieve surface temperatures necessary to support life.^[120][121]

As the Sun expands, it will swallow the planets Mercury and Venus.^[122] Earth’s fate is less clear; although the Sun will envelop Earth’s current orbit, the star’s loss of mass (and thus weaker gravity) will cause the planets’ orbits to move farther out.^[113] If it were only for this, Venus and Earth would probably escape incineration,^[118] but a 2008 study suggests that Earth will likely be swallowed up as a result of tidal interactions with the Sun’s weakly-bound outer envelope.^[113]

Additionally, the Sun’s habitable zone will move into the outer solar system and eventually beyond the Kuiper belt at the end of the red-giant phase, causing icy bodies such as Enceladus and Pluto to thaw. During this time, these worlds could support a water-based hydrologic cycle, but as they are too small to hold a dense atmosphere like Earth, they would experience extreme day–night temperature differences. When the Sun leaves the red-giant branch and enters the asymptotic giant branch, the habitable zone will abruptly shrink to roughly the space between Jupiter and Saturn’s present-day orbits, but toward the end of the 200 million-year duration of the asymptotic giant phase, it will expand outward to about the same distance as before.^[123]

Gradually, the hydrogen burning in the shell around the solar core will increase the mass of the core until it reaches about 45% of the present solar mass. At this point, the density and temperature will become so high that the fusion of helium into carbon will begin, leading to a helium flash; the Sun will shrink from around 250 to 11 times its present (main-sequence) radius. Consequently, its luminosity will decrease from around 3,000 to 54 times its current level, and its surface temperature will increase to about 4,770 K (4,500 °C; 8,130 °F). The Sun will become a horizontal giant, burning helium in its core in a stable fashion, much like it burns hydrogen today. The helium-fusing stage will last only 100 million years. Eventually, it will have to again resort to the reserves of hydrogen and helium in its outer layers. It will expand a second time, becoming what is known as an asymptotic giant. Here the luminosity of the Sun will increase again, reaching about 2,090 present luminosities, and it will cool to about 3,500 K (3,230 °C; 5,840 °F).^[113] This phase lasts about 30 million years, after which, over the course of a further 100,000 years, the Sun’s remaining outer layers will fall away, ejecting a vast stream of matter into space and forming a halo known (misleadingly) as a planetary nebula. The ejected material will contain the helium and carbon produced by the Sun’s nuclear reactions, continuing the enrichment of the interstellar medium with heavy elements for future generations of stars and planets.^[124]

This is a relatively peaceful event, nothing akin to a supernova, which the Sun is too small to undergo as part of its evolution. Any observer present to witness this occurrence would see a massive increase in the speed of the solar wind, but not enough to destroy a planet completely. However, the star’s loss of mass could send the orbits of the surviving planets into chaos, causing some to collide, others to be ejected from the Solar System, and others to be torn apart by tidal interactions.^[125] Afterwards, all that will remain of the Sun is a white dwarf, an extraordinarily dense object, 54% its original mass but only the size of the Earth. Initially, this white dwarf may be 100 times as luminous as the Sun is now. It will consist entirely of degenerate carbon and oxygen but will never reach temperatures hot enough to fuse these elements. Thus, the white dwarf Sun will gradually cool, growing dimmer and dimmer.^[126]

As the Sun dies, its gravitational pull on the orbiting bodies, such as planets, comets, and asteroids, will weaken due to its mass loss. All remaining planets’ orbits will expand; if Venus, Earth, and Mars still exist, their orbits will lie roughly at 1.4 AU (210 million km; 130 million mi), 1.9 AU (280 million km; 180 million mi), and 2.8 AU (420 million km; 260 million mi), respectively. They and the other remaining planets will become dark, frigid hulks, completely devoid of life.^[118] They will continue to orbit their star, their speed slowed due to their increased distance from the Sun and the Sun’s reduced gravity. Two billion years later, when the Sun has cooled to the 6,000–8,000 K (5,730–7,730 °C; 10,340–13,940 °F) range, the carbon and oxygen in the Sun’s core will freeze, with over 90% of its remaining mass assuming a crystalline structure.^[127] Eventually, after roughly one quadrillion years, the Sun will finally cease to shine altogether, becoming a black dwarf.^[128]

Galactic interaction[edit]

The Solar System travels alone through the Milky Way in a circular orbit approximately 30,000 light years from the Galactic Center. Its speed is about 220 km/s. The period required for the Solar System to complete one revolution around the Galactic Center, the galactic year, is in the range of 220–250 million years. Since its formation, the Solar System has completed at least 20 such revolutions.^[129]

Various scientists have speculated that the Solar System’s path through the galaxy is a factor in the periodicity of mass extinctions observed in the Earth’s fossil record. One hypothesis supposes that vertical oscillations made by the Sun as it orbits the Galactic Centre cause it to regularly pass through the galactic plane. When the Sun’s orbit takes it outside the galactic disc, the influence of the galactic tide is weaker; as it re-enters the galactic disc, as it does every 20–25 million years, it comes under the influence of the far stronger «disc tides», which, according to mathematical models, increase the flux of Oort cloud comets into the Solar System by a factor of 4, leading to a massive increase in the likelihood of a devastating impact.^[130]

However, others argue that the Sun is currently close to the galactic plane, and yet the last great extinction event was 15 million years ago. Therefore, the Sun’s vertical position cannot alone explain such periodic extinctions, and that extinctions instead occur when the Sun passes through the galaxy’s spiral arms. Spiral arms are home not only to larger numbers of molecular clouds, whose gravity may distort the Oort cloud, but also to higher concentrations of bright blue giants, which live for relatively short periods and then explode violently as supernovae.^[131]

Galactic collision and planetary disruption[edit]

Although the vast majority of galaxies in the Universe are moving away from the Milky Way, the Andromeda Galaxy, the largest member of the Local Group of galaxies, is heading toward it at about 120 km/s.^[132] In 4 billion years, Andromeda and the Milky Way will collide, causing both to deform as tidal forces distort their outer arms into vast tidal tails. If this initial disruption occurs, astronomers calculate a 12% chance that the Solar System will be pulled outward into the Milky Way’s tidal tail and a 3% chance that it will become gravitationally bound to Andromeda and thus a part of that galaxy.^[132] After a further series of glancing blows, during which the likelihood of the Solar System’s ejection rises to 30%,^[133] the galaxies’ supermassive black holes will merge. Eventually, in roughly 6 billion years, the Milky Way and Andromeda will complete their merger into a giant elliptical galaxy. During the merger, if there is enough gas, the increased gravity will force the gas to the centre of the forming elliptical galaxy. This may lead to a short period of intensive star formation called a starburst.^[132] In addition, the infalling gas will feed the newly formed black hole, transforming it into an active galactic nucleus. The force of these interactions will likely push the Solar System into the new galaxy’s outer halo, leaving it relatively unscathed by the radiation from these collisions.^[132][133]

It is a common misconception that this collision will disrupt the orbits of the planets in the Solar System. Although it is true that the gravity of passing stars can detach planets into interstellar space, distances between stars are so great that the likelihood of the Milky Way–Andromeda collision causing such disruption to any individual star system is negligible. Although the Solar System as a whole could be affected by these events, the Sun and planets are not expected to be disturbed.^[134]

However, over time, the cumulative probability of a chance encounter with a star increases, and disruption of the planets becomes all but inevitable. Assuming that the Big Crunch or Big Rip scenarios for the end of the Universe do not occur, calculations suggest that the gravity of passing stars will have completely stripped the dead Sun of its remaining planets within 1 quadrillion (10¹⁵) years. This point marks the end of the Solar System. Although the Sun and planets may survive, the Solar System, in any meaningful sense, will cease to exist.^[3]

Chronology[edit]

The time frame of the Solar System’s formation has been determined using radiometric dating. Scientists estimate that the Solar System is 4.6 billion years old. The oldest known mineral grains on Earth are approximately 4.4 billion years old.^[135] Rocks this old are rare, as Earth’s surface is constantly being reshaped by erosion, volcanism, and plate tectonics. To estimate the age of the Solar System, scientists use meteorites, which were formed during the early condensation of the solar nebula. Almost all meteorites (see the Canyon Diablo meteorite) are found to have an age of 4.6 billion years, suggesting that the Solar System must be at least this old.^[136]

Studies of discs around other stars have also done much to establish a time frame for Solar System formation. Stars between one and three million years old have discs rich in gas, whereas discs around stars more than 10 million years old have little to no gas, suggesting that giant planets within them have ceased forming.^[34]

Timeline of Solar System evolution[edit]

Note: All dates and times in this chronology are approximate and should be taken as an order of magnitude indicator only.

Chronology of the formation and evolution of the Solar System

Phase	Time since formation of the Sun	Time from present (approximate)	Event
Pre-Solar System	Billions of years before the formation of the Solar System	Over 4.6 billion years ago (bya)	Previous generations of stars live and die, injecting heavy elements into the interstellar medium out of which the Solar System formed.[15]
~ 50 million years before formation of the Solar System	4.6 bya	If the Solar System formed in an Orion nebula-like star-forming region, the most massive stars are formed, live their lives, die, and explode in supernova. One particular supernova, called the primal supernova, possibly triggers the formation of the Solar System.[19][20]
Formation of Sun	0–100,000 years	4.6 bya	Pre-solar nebula forms and begins to collapse. Sun begins to form.[34]
100,000 – 50 million years	4.6 bya	Sun is a T Tauri protostar.[9]
100,000 – 10 million years	4.6 bya	By 10 million years, gas in the protoplanetary disc has been blown away, and outer planet formation is likely complete.[34]
10 million – 100 million years	4.5–4.6 bya	Terrestrial planets and the Moon form. Giant impacts occur. Water delivered to Earth.[2]
Main sequence	50 million years	4.5 bya	Sun becomes a main-sequence star.[29]
200 million years	4.4 bya	Oldest known rocks on the Earth formed.[135][137]
500 million – 600 million years	4.0–4.1 bya	Resonance in Jupiter and Saturn’s orbits moves Neptune out into the Kuiper belt. Late Heavy Bombardment occurs in the inner Solar System.[2]
800 million years	3.8 bya	Oldest known life on Earth.[76][137] Oort cloud reaches maximum mass.[79]
4.6 billion years	Today	Sun remains a main-sequence star.[112]
6 billion years	1.4 billion years in the future	Sun’s habitable zone moves outside of the Earth’s orbit, possibly shifting onto Mars’s orbit.[115]
7 billion years	2.4 billion years in the future	The Milky Way and Andromeda Galaxy begin to collide. Slight chance the Solar System could be captured by Andromeda before the two galaxies fuse completely.[132]
Post–main sequence	10 billion – 12 billion years	5–7 billion years in the future	Sun has fused all of the hydrogen in the core and starts to burn hydrogen in a shell surrounding its core, thus ending its main sequence life. Sun begins to ascend the red-giant branch of the Hertzsprung–Russell diagram, growing dramatically more luminous (by a factor of up to 2,700), larger (by a factor of up to 250 in radius), and cooler (down to 2600 K): Sun is now a red giant. Mercury, Venus and possibly Earth are swallowed.[113][118] During this time Saturn’s moon Titan may become habitable.[120]
~ 12 billion years	~ 7 billion years in the future	Sun passes through helium-burning horizontal-branch and asymptotic-giant-branch phases, losing a total of ~30% of its mass in all post-main-sequence phases. The asymptotic-giant-branch phase ends with the ejection of its outer layers as a planetary nebula, leaving the dense core of the Sun behind as a white dwarf.[113][124]
Remnant Sun	~ 1 quadrillion years (1015 years)	~ 1 quadrillion years in the future	Sun cools to 5 K.[138] Gravity of passing stars detaches planets from orbits. Solar System ceases to exist.[3]

See also[edit]

Notes[edit]

References[edit]

Bibliography[edit]

• Duncan, Martin J.; Lissauer, Jack J. (1997). «Orbital Stability of the Uranian Satellite System». Icarus. 125 (1): 1–12. Bibcode:1997Icar..125….1D. doi:10.1006/icar.1996.5568.
• Zeilik, Michael A.; Gregory, Stephen A. (1998). Introductory Astronomy & Astrophysics (4th ed.). Saunders College Publishing. ISBN 0-03-006228-4.

External links[edit]

• 7M animation from skyandtelescope.com showing the early evolution of the outer Solar System.
• QuickTime animation of the future collision between the Milky Way and Andromeda
• How the Sun Will Die: And What Happens to Earth (Video at Space.com)

The formation of the Solar System began about 4.6 billion years ago with the gravitational collapse of a small part of a giant molecular cloud.^[1] Most of the collapsing mass collected in the center, forming the Sun, while the rest flattened into a protoplanetary disk out of which the planets, moons, asteroids, and other small Solar System bodies formed.

This model, known as the nebular hypothesis, was first developed in the 18th century by Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant, and Pierre-Simon Laplace. Its subsequent development has interwoven a variety of scientific disciplines including astronomy, chemistry, geology, physics, and planetary science. Since the dawn of the Space Age in the 1950s and the discovery of exoplanets in the 1990s, the model has been both challenged and refined to account for new observations.

The Solar System has evolved considerably since its initial formation. Many moons have formed from circling discs of gas and dust around their parent planets, while other moons are thought to have formed independently and later to have been captured by their planets. Still others, such as Earth’s Moon, may be the result of giant collisions. Collisions between bodies have occurred continually up to the present day and have been central to the evolution of the Solar System. The positions of the planets might have shifted due to gravitational interactions.^[2] This planetary migration is now thought to have been responsible for much of the Solar System’s early evolution.^{[according to whom?]}

In roughly 5 billion years, the Sun will cool and expand outward to many times its current diameter (becoming a red giant), before casting off its outer layers as a planetary nebula and leaving behind a stellar remnant known as a white dwarf. In the far distant future, the gravity of passing stars will gradually reduce the Sun’s retinue of planets. Some planets will be destroyed, and others ejected into interstellar space. Ultimately, over the course of tens of billions of years, it is likely that the Sun will be left with none of the original bodies in orbit around it.^[3]

History[edit]

Ideas concerning the origin and fate of the world date from the earliest known writings; however, for almost all of that time, there was no attempt to link such theories to the existence of a «Solar System», simply because it was not generally thought that the Solar System, in the sense we now understand it, existed. The first step toward a theory of Solar System formation and evolution was the general acceptance of heliocentrism, which placed the Sun at the centre of the system and the Earth in orbit around it. This concept had developed for millennia (Aristarchus of Samos had suggested it as early as 250 BC), but was not widely accepted until the end of the 17th century. The first recorded use of the term «Solar System» dates from 1704.^[4]

The current standard theory for Solar System formation, the nebular hypothesis, has fallen into and out of favour since its formulation by Emanuel Swedenborg, Immanuel Kant, and Pierre-Simon Laplace in the 18th century. The most significant criticism of the hypothesis was its apparent inability to explain the Sun’s relative lack of angular momentum when compared to the planets.^[5] However, since the early 1980s studies of young stars have shown them to be surrounded by cool discs of dust and gas, exactly as the nebular hypothesis predicts, which has led to its re-acceptance.^[6]

Understanding of how the Sun is expected to continue to evolve required an understanding of the source of its power. Arthur Stanley Eddington’s confirmation of Albert Einstein’s theory of relativity led to his realisation that the Sun’s energy comes from nuclear fusion reactions in its core, fusing hydrogen into helium.^[7] In 1935, Eddington went further and suggested that other elements also might form within stars.^[8] Fred Hoyle elaborated on this premise by arguing that evolved stars called red giants created many elements heavier than hydrogen and helium in their cores. When a red giant finally casts off its outer layers, these elements would then be recycled to form other star systems.^[8]

Formation[edit]

Presolar nebula[edit]

The nebular hypothesis says that the Solar System formed from the gravitational collapse of a fragment of a giant molecular cloud,^[9] most likely at the edge of a Wolf-Rayet bubble.^[10] The cloud was about 20 parsecs (65 light years) across,^[9] while the fragments were roughly 1 parsec (three and a quarter light-years) across.^[11] The further collapse of the fragments led to the formation of dense cores 0.01–0.1 parsec (2,000–20,000 AU) in size.^[a][9][12] One of these collapsing fragments (known as the presolar nebula) formed what became the Solar System.^[13] The composition of this region with a mass just over that of the Sun (M_☉) was about the same as that of the Sun today, with hydrogen, along with helium and trace amounts of lithium produced by Big Bang nucleosynthesis, forming about 98% of its mass. The remaining 2% of the mass consisted of heavier elements that were created by nucleosynthesis in earlier generations of stars.^[14] Late in the life of these stars, they ejected heavier elements into the interstellar medium.^[15]

The oldest inclusions found in meteorites, thought to trace the first solid material to form in the presolar nebula, are 4,568.2 million years old, which is one definition of the age of the Solar System.^[1] Studies of ancient meteorites reveal traces of stable daughter nuclei of short-lived isotopes, such as iron-60, that only form in exploding, short-lived stars. This indicates that one or more supernovae occurred nearby. A shock wave from a supernova may have triggered the formation of the Sun by creating relatively dense regions within the cloud, causing these regions to collapse.^[16][17] The highly homogeneous distribution of iron-60 in the Solar System points to the occurrence of this supernova and its injection of iron-60 being well before the accretion of nebular dust into planetary bodies.^[18] Because only massive, short-lived stars produce supernovae, the Sun must have formed in a large star-forming region that produced massive stars, possibly similar to the Orion Nebula.^[19][20] Studies of the structure of the Kuiper belt and of anomalous materials within it suggest that the Sun formed within a cluster of between 1,000 and 10,000 stars with a diameter of between 6.5 and 19.5 light years and a collective mass of 3,000 M_☉. This cluster began to break apart between 135 million and 535 million years after formation.^[21][22] Several simulations of our young Sun interacting with close-passing stars over the first 100 million years of its life produce anomalous orbits observed in the outer Solar System, such as detached objects.^[23]

Because of the conservation of angular momentum, the nebula spun faster as it collapsed. As the material within the nebula condensed, the atoms within it began to collide with increasing frequency, converting their kinetic energy into heat. The center, where most of the mass collected, became increasingly hotter than the surrounding disc.^[11] Over about 100,000 years,^[9] the competing forces of gravity, gas pressure, magnetic fields, and rotation caused the contracting nebula to flatten into a spinning protoplanetary disc with a diameter of about 200 AU^[11] and form a hot, dense protostar (a star in which hydrogen fusion has not yet begun) at the centre.^[24]

At this point in its evolution, the Sun is thought to have been a T Tauri star.^[25] Studies of T Tauri stars show that they are often accompanied by discs of pre-planetary matter with masses of 0.001–0.1 M_☉.^[26] These discs extend to several hundred AU—the Hubble Space Telescope has observed protoplanetary discs of up to 1000 AU in diameter in star-forming regions such as the Orion Nebula^[27]—and are rather cool, reaching a surface temperature of only about 1,000 K (730 °C; 1,340 °F) at their hottest.^[28]
Within 50  million years, the temperature and pressure at the core of the Sun became so great that its hydrogen began to fuse, creating an internal source of energy that countered gravitational contraction until hydrostatic equilibrium was achieved.^[29] This marked the Sun’s entry into the prime phase of its life, known as the main sequence. Main-sequence stars derive energy from the fusion of hydrogen into helium in their cores. The Sun remains a main-sequence star today.^[30]

As the early Solar System continued to evolve, it eventually drifted away from its siblings in the stellar nursery, and continued orbiting the Milky Way’s center on its own. The Sun likely drifted from its original orbital distance from the center of the galaxy. The chemical history of the Sun suggests it may have formed as much as 3 kpc closer to the galaxy core.^[31]

Formation of the planets[edit]

The various planets are thought to have formed from the solar nebula, the disc-shaped cloud of gas and dust left over from the Sun’s formation.^[32] The currently accepted method by which the planets formed is accretion, in which the planets began as dust grains in orbit around the central protostar. Through direct contact and self-organization, these grains formed into clumps up to 200 m (660 ft) in diameter, which in turn collided to form larger bodies (planetesimals) of ~10 km (6.2 mi) in size. These gradually increased through further collisions, growing at the rate of centimetres per year over the course of the next few million years.^[33]

The inner Solar System, the region of the Solar System inside 4 AU, was too warm for volatile molecules like water and methane to condense, so the planetesimals that formed there could only form from compounds with high melting points, such as metals (like iron, nickel, and aluminium) and rocky silicates. These rocky bodies would become the terrestrial planets (Mercury, Venus, Earth, and Mars). These compounds are quite rare in the Universe, comprising only 0.6% of the mass of the nebula, so the terrestrial planets could not grow very large.^[11] The terrestrial embryos grew to about 0.05 Earth masses (M_Earth) and ceased accumulating matter about 100,000 years after the formation of the Sun; subsequent collisions and mergers between these planet-sized bodies allowed terrestrial planets to grow to their present sizes.^[34]

When the terrestrial planets were forming, they remained immersed in a disk of gas and dust. The gas was partially supported by pressure and so did not orbit the Sun as rapidly as the planets. The resulting drag and, more importantly, gravitational interactions with the surrounding material caused a transfer of angular momentum, and as a result the planets gradually migrated to new orbits. Models show that density and temperature variations in the disk governed this rate of migration,^[35][36] but the net trend was for the inner planets to migrate inward as the disk dissipated, leaving the planets in their current orbits.^[37]

The giant planets (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune) formed further out, beyond the frost line, which is the point between the orbits of Mars and Jupiter where the material is cool enough for volatile icy compounds to remain solid. The ices that formed the Jovian planets were more abundant than the metals and silicates that formed the terrestrial planets, allowing the giant planets to grow massive enough to capture hydrogen and helium, the lightest and most abundant elements.^[11] Planetesimals beyond the frost line accumulated up to 4 M_Earth within about 3 million years.^[34] Today, the four giant planets comprise just under 99% of all the mass orbiting the Sun.^[b] Theorists believe it is no accident that Jupiter lies just beyond the frost line. Because the frost line accumulated large amounts of water via evaporation from infalling icy material, it created a region of lower pressure that increased the speed of orbiting dust particles and halted their motion toward the Sun. In effect, the frost line acted as a barrier that caused the material to accumulate rapidly at ~5 AU from the Sun. This excess material coalesced into a large embryo (or core) on the order of 10 M_Earth, which began to accumulate an envelope via accretion of gas from the surrounding disc at an ever-increasing rate.^[38][39] Once the envelope mass became about equal to the solid core mass, growth proceeded very rapidly, reaching about 150 Earth masses ~10⁵ years thereafter and finally topping out at 318 M_Earth.^[40] Saturn may owe its substantially lower mass simply to having formed a few million years after Jupiter, when there was less gas available to consume.^[34][41]

T Tauri stars like the young Sun have far stronger stellar winds than more stable, older stars. Uranus and Neptune are thought to have formed after Jupiter and Saturn did, when the strong solar wind had blown away much of the disc material. As a result, those planets accumulated little hydrogen and helium—not more than 1 M_Earth each. Uranus and Neptune are sometimes referred to as failed cores.^[42] The main problem with formation theories for these planets is the timescale of their formation. At the current locations it would have taken millions of years for their cores to accrete.^[41] This means that Uranus and Neptune may have formed closer to the Sun—near or even between Jupiter and Saturn—and later migrated or were ejected outward (see Planetary migration below).^[42][43] Motion in the planetesimal era was not all inward toward the Sun; the Stardust sample return from Comet Wild 2 has suggested that materials from the early formation of the Solar System migrated from the warmer inner Solar System to the region of the Kuiper belt.^[44]

After between three and ten million years,^[34] the young Sun’s solar wind would have cleared away all the gas and dust in the protoplanetary disc, blowing it into interstellar space, thus ending the growth of the planets.^[45][46]

Subsequent evolution[edit]

The planets were originally thought to have formed in or near their current orbits. This has been questioned during the last 20 years. Currently, many planetary scientists think that the Solar System might have looked very different after its initial formation: several objects at least as massive as Mercury were present in the inner Solar System, the outer Solar System was much more compact than it is now, and the Kuiper belt was much closer to the Sun.^[47]

Terrestrial planets[edit]

At the end of the planetary formation epoch the inner Solar System was populated by 50–100 Moon- to Mars-sized protoplanets.^[48][49] Further growth was possible only because these bodies collided and merged, which took less than 100 million years. These objects would have gravitationally interacted with one another, tugging at each other’s orbits until they collided, growing larger until the four terrestrial planets we know today took shape.^[34] One such giant collision is thought to have formed the Moon (see Moons below), while another removed the outer envelope of the young Mercury.^[50]

One unresolved issue with this model is that it cannot explain how the initial orbits of the proto-terrestrial planets, which would have needed to be highly eccentric to collide, produced the remarkably stable and nearly circular orbits they have today.^[48] One hypothesis for this «eccentricity dumping» is that the terrestrials formed in a disc of gas still not expelled by the Sun. The «gravitational drag» of this residual gas would have eventually lowered the planets’ energy, smoothing out their orbits.^[49] However, such gas, if it existed, would have prevented the terrestrial planets’ orbits from becoming so eccentric in the first place.^[34] Another hypothesis is that gravitational drag occurred not between the planets and residual gas but between the planets and the remaining small bodies. As the large bodies moved through the crowd of smaller objects, the smaller objects, attracted by the larger planets’ gravity, formed a region of higher density, a «gravitational wake», in the larger objects’ path. As they did so, the increased gravity of the wake slowed the larger objects down into more regular orbits.^[51]

Asteroid belt[edit]

The outer edge of the terrestrial region, between 2 and 4 AU from the Sun, is called the asteroid belt. The asteroid belt initially contained more than enough matter to form 2–3 Earth-like planets, and, indeed, a large number of planetesimals formed there. As with the terrestrials, planetesimals in this region later coalesced and formed 20–30 Moon- to Mars-sized planetary embryos;^[52] however, the proximity of Jupiter meant that after this planet formed, 3 million years after the Sun, the region’s history changed dramatically.^[48] Orbital resonances with Jupiter and Saturn are particularly strong in the asteroid belt, and gravitational interactions with more massive embryos scattered many planetesimals into those resonances. Jupiter’s gravity increased the velocity of objects within these resonances, causing them to shatter upon collision with other bodies, rather than accrete.^[53]

As Jupiter migrated inward following its formation (see Planetary migration below), resonances would have swept across the asteroid belt, dynamically exciting the region’s population and increasing their velocities relative to each other.^[54] The cumulative action of the resonances and the embryos either scattered the planetesimals away from the asteroid belt or excited their orbital inclinations and eccentricities.^[52][55] Some of those massive embryos too were ejected by Jupiter, while others may have migrated to the inner Solar System and played a role in the final accretion of the terrestrial planets.^[52][56][57] During this primary depletion period, the effects of the giant planets and planetary embryos left the asteroid belt with a total mass equivalent to less than 1% that of the Earth, composed mainly of small planetesimals.^[55]
This is still 10–20 times more than the current mass in the main belt, which is now about 0.0005 M_Earth.^[58] A secondary depletion period that brought the asteroid belt down close to its present mass is thought to have followed when Jupiter and Saturn entered a temporary 2:1 orbital resonance (see below).

The inner Solar System’s period of giant impacts probably played a role in the Earth acquiring its current water content (~6×10²¹ kg) from the early asteroid belt. Water is too volatile to have been present at Earth’s formation and must have been subsequently delivered from outer, colder parts of the Solar System.^[59] The water was probably delivered by planetary embryos and small planetesimals thrown out of the asteroid belt by Jupiter.^[56] A population of main-belt comets discovered in 2006 has also been suggested as a possible source for Earth’s water.^[59][60] In contrast, comets from the Kuiper belt or farther regions delivered not more than about 6% of Earth’s water.^[2][61] The panspermia hypothesis holds that life itself may have been deposited on Earth in this way, although this idea is not widely accepted.^[62]

Planetary migration[edit]

According to the nebular hypothesis, the outer two planets may be in the «wrong place». Uranus and Neptune (known as the «ice giants») exist in a region where the reduced density of the solar nebula and longer orbital times render their formation there highly implausible.^[63] The two are instead thought to have formed in orbits near Jupiter and Saturn (known as the «gas giants»), where more material was available, and to have migrated outward to their current positions over hundreds of millions of years.^[42]

The migration of the outer planets is also necessary to account for the existence and properties of the Solar System’s outermost regions.^[43] Beyond Neptune, the Solar System continues into the Kuiper belt, the scattered disc, and the Oort cloud, three sparse populations of small icy bodies thought to be the points of origin for most observed comets. At their distance from the Sun, accretion was too slow to allow planets to form before the solar nebula dispersed, and thus the initial disc lacked enough mass density to consolidate into a planet.^[63] The Kuiper belt lies between 30 and 55 AU from the Sun, while the farther scattered disc extends to over 100 AU,^[43] and the distant Oort cloud begins at about 50,000 AU.^[64] Originally, however, the Kuiper belt was much denser and closer to the Sun, with an outer edge at approximately 30 AU. Its inner edge would have been just beyond the orbits of Uranus and Neptune, which were in turn far closer to the Sun when they formed (most likely in the range of 15–20 AU), and in 50% of simulations ended up in opposite locations, with Uranus farther from the Sun than Neptune.^[65][2][43]

According to the Nice model, after the formation of the Solar System, the orbits of all the giant planets continued to change slowly, influenced by their interaction with the large number of remaining planetesimals. After 500–600 million years (about 4 billion years ago) Jupiter and Saturn fell into a 2:1 resonance: Saturn orbited the Sun once for every two Jupiter orbits.^[43] This resonance created a gravitational push against the outer planets, possibly causing Neptune to surge past Uranus and plough into the ancient Kuiper belt.^[65]
The planets scattered the majority of the small icy bodies inwards, while themselves moving outwards. These planetesimals then scattered off the next planet they encountered in a similar manner, moving the planets’ orbits outwards while they moved inwards.^[43] This process continued until the planetesimals interacted with Jupiter, whose immense gravity sent them into highly elliptical orbits or even ejected them outright from the Solar System. This caused Jupiter to move slightly inward.^[c] Those objects scattered by Jupiter into highly elliptical orbits formed the Oort cloud;^[43] those objects scattered to a lesser degree by the migrating Neptune formed the current Kuiper belt and scattered disc.^[43] This scenario explains the Kuiper belt’s and scattered disc’s present low mass. Some of the scattered objects, including Pluto, became gravitationally tied to Neptune’s orbit, forcing them into mean-motion resonances.^[66] Eventually, friction within the planetesimal disc made the orbits of Uranus and Neptune near-circular again.^[43][67]

In contrast to the outer planets, the inner planets are not thought to have migrated significantly over the age of the Solar System, because their orbits have remained stable following the period of giant impacts.^[34]

Another question is why Mars came out so small compared with Earth. A study by Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, published June 6, 2011 (called the Grand tack hypothesis), proposes that Jupiter had migrated inward to 1.5 AU. After Saturn formed, migrated inward, and established the 2:3 mean motion resonance with Jupiter, the study assumes that both planets migrated back to their present positions. Jupiter thus would have consumed much of the material that would have created a bigger Mars. The same simulations also reproduce the characteristics of the modern asteroid belt, with dry asteroids and water-rich objects similar to comets.^[68][69] However, it is unclear whether conditions in the solar nebula would have allowed Jupiter and Saturn to move back to their current positions, and according to current estimates this possibility appears unlikely.^[70] Moreover, alternative explanations for the small mass of Mars exist.^[71][72][73]

Late Heavy Bombardment and after[edit]

Gravitational disruption from the outer planets’ migration would have sent large numbers of asteroids into the inner Solar System, severely depleting the original belt until it reached today’s extremely low mass.^[55] This event may have triggered the Late Heavy Bombardment that occurred approximately 4 billion years ago, 500–600 million years after the formation of the Solar System.^[2][74] This period of heavy bombardment lasted several hundred million years and is evident in the cratering still visible on geologically dead bodies of the inner Solar System such as the Moon and Mercury.^[2][75] The oldest known evidence for life on Earth dates to 3.8 billion years ago—almost immediately after the end of the Late Heavy Bombardment.^[76]

Impacts are thought to be a regular (if currently infrequent) part of the evolution of the Solar System. That they continue to happen is evidenced by the collision of Comet Shoemaker–Levy 9 with Jupiter in 1994, the 2009 Jupiter impact event, the Tunguska event, the Chelyabinsk meteor and the impact that created Meteor Crater in Arizona. The process of accretion, therefore, is not complete, and may still pose a threat to life on Earth.^[77][78]

Over the course of the Solar System’s evolution, comets were ejected out of the inner Solar System by the gravity of the giant planets and sent thousands of AU outward to form the Oort cloud, a spherical outer swarm of cometary nuclei at the farthest extent of the Sun’s gravitational pull. Eventually, after about 800 million years, the gravitational disruption caused by galactic tides, passing stars and giant molecular clouds began to deplete the cloud, sending comets into the inner Solar System.^[79] The evolution of the outer Solar System also appears to have been influenced by space weathering from the solar wind, micrometeorites, and the neutral components of the interstellar medium.^[80]

The evolution of the asteroid belt after Late Heavy Bombardment was mainly governed by collisions.^[81] Objects with large mass have enough gravity to retain any material ejected by a violent collision. In the asteroid belt this usually is not the case. As a result, many larger objects have been broken apart, and sometimes newer objects have been forged from the remnants in less violent collisions.^[81] Moons around some asteroids currently can only be explained as consolidations of material flung away from the parent object without enough energy to entirely escape its gravity.^[82]

Moons[edit]

Moons have come to exist around most planets and many other Solar System bodies. These natural satellites originated by one of three possible mechanisms:

• Co-formation from a circumplanetary disc (only in the cases of the giant planets);
• Formation from impact debris (given a large enough impact at a shallow angle); and
• Capture of a passing object.

Jupiter and Saturn have several large moons, such as Io, Europa, Ganymede and Titan, which may have originated from discs around each giant planet in much the same way that the planets formed from the disc around the Sun.^[83][84][85] This origin is indicated by the large sizes of the moons and their proximity to the planet. These attributes are impossible to achieve via capture, while the gaseous nature of the primaries also make formation from collision debris unlikely. The outer moons of the giant planets tend to be small and have eccentric orbits with arbitrary inclinations. These are the characteristics expected of captured bodies.^[86][87] Most such moons orbit in the direction opposite the rotation of their primary. The largest irregular moon is Neptune’s moon Triton, which is thought to be a captured Kuiper belt object.^[78]

Moons of solid Solar System bodies have been created by both collisions and capture. Mars’s two small moons, Deimos and Phobos, are thought to be captured asteroids.^[88]
The Earth’s Moon is thought to have formed as a result of a single, large head-on collision.^[89][90]
The impacting object probably had a mass comparable to that of Mars, and the impact probably occurred near the end of the period of giant impacts. The collision kicked into orbit some of the impactor’s mantle, which then coalesced into the Moon.^[89] The impact was probably the last in the series of mergers that formed the Earth.
It has been further hypothesized that the Mars-sized object may have formed at one of the stable Earth–Sun Lagrangian points (either L₄ or L₅) and drifted from its position.^[91] The moons of trans-Neptunian objects Pluto (Charon) and Orcus (Vanth) may also have formed by means of a large collision: the Pluto–Charon, Orcus–Vanth and Earth–Moon systems are unusual in the Solar System in that the satellite’s mass is at least 1% that of the larger body.^[92][93]

Future[edit]

Astronomers estimate that the current state of the Solar System will not change drastically until the Sun has fused almost all the hydrogen fuel in its core into helium, beginning its evolution from the main sequence of the Hertzsprung–Russell diagram and into its red-giant phase. The Solar System will continue to evolve until then. Eventually, the Sun will likely expand sufficiently to overwhelm the inner planets (Mercury, Venus, and possibly Earth) but not the outer planets, including Jupiter and Saturn. Afterward, the Sun would be reduced to the size of a white dwarf, and the outer planets and their moons would continue orbiting this diminutive solar remnant. This future development may be similar to the observed detection of MOA-2010-BLG-477L b, a Jupiter-sized exoplanet orbiting its host white dwarf star MOA-2010-BLG-477L.^[94][95][96]

Long-term stability[edit]

The Solar System is chaotic over million- and billion-year timescales,^[97] with the orbits of the planets open to long-term variations. One notable example of this chaos is the Neptune–Pluto system, which lies in a 3:2 orbital resonance. Although the resonance itself will remain stable, it becomes impossible to predict the position of Pluto with any degree of accuracy more than 10–20 million years (the Lyapunov time) into the future.^[98] Another example is Earth’s axial tilt, which, due to friction raised within Earth’s mantle by tidal interactions with the Moon (see below), is incomputable from some point between 1.5 and 4.5 billion years from now.^[99]

The outer planets’ orbits are chaotic over longer timescales, with a Lyapunov time in the range of 2–230 million years.^[100]
In all cases, this means that the position of a planet along its orbit ultimately becomes impossible to predict with any certainty (so, for example, the timing of winter and summer becomes uncertain). Still, in some cases, the orbits themselves may change dramatically. Such chaos manifests most strongly as changes in eccentricity, with some planets’ orbits becoming significantly more—or less—elliptical.^[101]

Ultimately, the Solar System is stable in that none of the planets are likely to collide with each other or be ejected from the system in the next few billion years.^[100] Beyond this, within five billion years or so, Mars’s eccentricity may grow to around 0.2, such that it lies on an Earth-crossing orbit, leading to a potential collision. In the same timescale, Mercury’s eccentricity may grow even further, and a close encounter with Venus could theoretically eject it from the Solar System altogether^[97] or send it on a collision course with Venus or Earth.^[102] This could happen within a billion years, according to numerical simulations in which Mercury’s orbit is perturbed.^[103]

Moon–ring systems[edit]

The evolution of moon systems is driven by tidal forces. A moon will raise a tidal bulge in the object it orbits (the primary) due to the differential gravitational force across diameter of the primary. If a moon is revolving in the same direction as the planet’s rotation and the planet is rotating faster than the orbital period of the moon, the bulge will constantly be pulled ahead of the moon. In this situation, angular momentum is transferred from the rotation of the primary to the revolution of the satellite. The moon gains energy and gradually spirals outward, while the primary rotates more slowly over time.

The Earth and its Moon are one example of this configuration. Today, the Moon is tidally locked to the Earth; one of its revolutions around the Earth (currently about 29 days) is equal to one of its rotations about its axis, so it always shows one face to the Earth. The Moon will continue to recede from Earth, and Earth’s spin will continue to slow gradually. Other examples are the Galilean moons of Jupiter (as well as many of Jupiter’s smaller moons)^[104] and most of the larger moons of Saturn.^[105]

A different scenario occurs when the moon is either revolving around the primary faster than the primary rotates or is revolving in the direction opposite the planet’s rotation. In these cases, the tidal bulge lags behind the moon in its orbit. In the former case, the direction of angular momentum transfer is reversed, so the rotation of the primary speeds up while the satellite’s orbit shrinks. In the latter case, the angular momentum of the rotation and revolution have opposite signs, so transfer leads to decreases in the magnitude of each (that cancel each other out).^[d] In both cases, tidal deceleration causes the moon to spiral in towards the primary until it either is torn apart by tidal stresses, potentially creating a planetary ring system, or crashes into the planet’s surface or atmosphere. Such a fate awaits the moons Phobos of Mars (within 30 to 50 million years),^[106] Triton of Neptune (in 3.6 billion years),^[107] and at least 16 small satellites of Uranus and Neptune. Uranus’s Desdemona may even collide with one of its neighboring moons.^[108]

A third possibility is where the primary and moon are tidally locked to each other. In that case, the tidal bulge stays directly under the moon, there is no angular momentum transfer, and the orbital period will not change. Pluto and Charon are an example of this type of configuration.^[109]

There is no consensus on the mechanism of the formation of the rings of Saturn. Although theoretical models indicated that the rings were likely to have formed early in the Solar System’s history,^[110] data from the Cassini–Huygens spacecraft suggests they formed relatively late.^[111]

The Sun and planetary environments[edit]

In the long term, the greatest changes in the Solar System will come from changes in the Sun itself as it ages. As the Sun burns through its hydrogen fuel supply, it gets hotter and burns the remaining fuel even faster. As a result, the Sun is growing brighter at a rate of ten percent every 1.1 billion years.^[112] In about 600 million years, the Sun’s brightness will have disrupted the Earth’s carbon cycle to the point where trees and forests (C3 photosynthetic plant life) will no longer be able to survive; and in around 800 million years, the Sun will have killed all complex life on the Earth’s surface and in the oceans. In 1.1 billion years, the Sun’s increased radiation output will cause its circumstellar habitable zone to move outwards, making the Earth’s surface too hot for liquid water to exist there naturally. At this point, all life will be reduced to single-celled organisms.^[113] Evaporation of water, a potent greenhouse gas, from the oceans’ surface could accelerate temperature increase, potentially ending all life on Earth even sooner.^[114] During this time, it is possible that as Mars’s surface temperature gradually rises, carbon dioxide and water currently frozen under the surface regolith will release into the atmosphere, creating a greenhouse effect that will heat the planet until it achieves conditions parallel to Earth today, providing a potential future abode for life.^[115] By 3.5 billion years from now, Earth’s surface conditions will be similar to those of Venus today.^[112]

Around 5.4 billion years from now, the core of the Sun will become hot enough to trigger hydrogen fusion in its surrounding shell.^[113] This will cause the outer layers of the star to expand greatly, and the star will enter a phase of its life in which it is called a red giant.^[116][117] Within 7.5 billion years, the Sun will have expanded to a radius of 1.2 AU (180×10⁶ km; 110×10⁶ mi)—256 times its current size. At the tip of the red-giant branch, as a result of the vastly increased surface area, the Sun’s surface will be much cooler (about 2,600 K (2,330 °C; 4,220 °F)) than now, and its luminosity much higher—up to 2,700 current solar luminosities. For part of its red-giant life, the Sun will have a strong stellar wind that will carry away around 33% of its mass.^{[113][118][119]} During these times, it is possible that Saturn’s moon Titan could achieve surface temperatures necessary to support life.^[120][121]

As the Sun expands, it will swallow the planets Mercury and Venus.^[122] Earth’s fate is less clear; although the Sun will envelop Earth’s current orbit, the star’s loss of mass (and thus weaker gravity) will cause the planets’ orbits to move farther out.^[113] If it were only for this, Venus and Earth would probably escape incineration,^[118] but a 2008 study suggests that Earth will likely be swallowed up as a result of tidal interactions with the Sun’s weakly-bound outer envelope.^[113]

Additionally, the Sun’s habitable zone will move into the outer solar system and eventually beyond the Kuiper belt at the end of the red-giant phase, causing icy bodies such as Enceladus and Pluto to thaw. During this time, these worlds could support a water-based hydrologic cycle, but as they are too small to hold a dense atmosphere like Earth, they would experience extreme day–night temperature differences. When the Sun leaves the red-giant branch and enters the asymptotic giant branch, the habitable zone will abruptly shrink to roughly the space between Jupiter and Saturn’s present-day orbits, but toward the end of the 200 million-year duration of the asymptotic giant phase, it will expand outward to about the same distance as before.^[123]

Gradually, the hydrogen burning in the shell around the solar core will increase the mass of the core until it reaches about 45% of the present solar mass. At this point, the density and temperature will become so high that the fusion of helium into carbon will begin, leading to a helium flash; the Sun will shrink from around 250 to 11 times its present (main-sequence) radius. Consequently, its luminosity will decrease from around 3,000 to 54 times its current level, and its surface temperature will increase to about 4,770 K (4,500 °C; 8,130 °F). The Sun will become a horizontal giant, burning helium in its core in a stable fashion, much like it burns hydrogen today. The helium-fusing stage will last only 100 million years. Eventually, it will have to again resort to the reserves of hydrogen and helium in its outer layers. It will expand a second time, becoming what is known as an asymptotic giant. Here the luminosity of the Sun will increase again, reaching about 2,090 present luminosities, and it will cool to about 3,500 K (3,230 °C; 5,840 °F).^[113] This phase lasts about 30 million years, after which, over the course of a further 100,000 years, the Sun’s remaining outer layers will fall away, ejecting a vast stream of matter into space and forming a halo known (misleadingly) as a planetary nebula. The ejected material will contain the helium and carbon produced by the Sun’s nuclear reactions, continuing the enrichment of the interstellar medium with heavy elements for future generations of stars and planets.^[124]

This is a relatively peaceful event, nothing akin to a supernova, which the Sun is too small to undergo as part of its evolution. Any observer present to witness this occurrence would see a massive increase in the speed of the solar wind, but not enough to destroy a planet completely. However, the star’s loss of mass could send the orbits of the surviving planets into chaos, causing some to collide, others to be ejected from the Solar System, and others to be torn apart by tidal interactions.^[125] Afterwards, all that will remain of the Sun is a white dwarf, an extraordinarily dense object, 54% its original mass but only the size of the Earth. Initially, this white dwarf may be 100 times as luminous as the Sun is now. It will consist entirely of degenerate carbon and oxygen but will never reach temperatures hot enough to fuse these elements. Thus, the white dwarf Sun will gradually cool, growing dimmer and dimmer.^[126]

As the Sun dies, its gravitational pull on the orbiting bodies, such as planets, comets, and asteroids, will weaken due to its mass loss. All remaining planets’ orbits will expand; if Venus, Earth, and Mars still exist, their orbits will lie roughly at 1.4 AU (210 million km; 130 million mi), 1.9 AU (280 million km; 180 million mi), and 2.8 AU (420 million km; 260 million mi), respectively. They and the other remaining planets will become dark, frigid hulks, completely devoid of life.^[118] They will continue to orbit their star, their speed slowed due to their increased distance from the Sun and the Sun’s reduced gravity. Two billion years later, when the Sun has cooled to the 6,000–8,000 K (5,730–7,730 °C; 10,340–13,940 °F) range, the carbon and oxygen in the Sun’s core will freeze, with over 90% of its remaining mass assuming a crystalline structure.^[127] Eventually, after roughly one quadrillion years, the Sun will finally cease to shine altogether, becoming a black dwarf.^[128]

Galactic interaction[edit]

The Solar System travels alone through the Milky Way in a circular orbit approximately 30,000 light years from the Galactic Center. Its speed is about 220 km/s. The period required for the Solar System to complete one revolution around the Galactic Center, the galactic year, is in the range of 220–250 million years. Since its formation, the Solar System has completed at least 20 such revolutions.^[129]

Various scientists have speculated that the Solar System’s path through the galaxy is a factor in the periodicity of mass extinctions observed in the Earth’s fossil record. One hypothesis supposes that vertical oscillations made by the Sun as it orbits the Galactic Centre cause it to regularly pass through the galactic plane. When the Sun’s orbit takes it outside the galactic disc, the influence of the galactic tide is weaker; as it re-enters the galactic disc, as it does every 20–25 million years, it comes under the influence of the far stronger «disc tides», which, according to mathematical models, increase the flux of Oort cloud comets into the Solar System by a factor of 4, leading to a massive increase in the likelihood of a devastating impact.^[130]

However, others argue that the Sun is currently close to the galactic plane, and yet the last great extinction event was 15 million years ago. Therefore, the Sun’s vertical position cannot alone explain such periodic extinctions, and that extinctions instead occur when the Sun passes through the galaxy’s spiral arms. Spiral arms are home not only to larger numbers of molecular clouds, whose gravity may distort the Oort cloud, but also to higher concentrations of bright blue giants, which live for relatively short periods and then explode violently as supernovae.^[131]

Galactic collision and planetary disruption[edit]

Although the vast majority of galaxies in the Universe are moving away from the Milky Way, the Andromeda Galaxy, the largest member of the Local Group of galaxies, is heading toward it at about 120 km/s.^[132] In 4 billion years, Andromeda and the Milky Way will collide, causing both to deform as tidal forces distort their outer arms into vast tidal tails. If this initial disruption occurs, astronomers calculate a 12% chance that the Solar System will be pulled outward into the Milky Way’s tidal tail and a 3% chance that it will become gravitationally bound to Andromeda and thus a part of that galaxy.^[132] After a further series of glancing blows, during which the likelihood of the Solar System’s ejection rises to 30%,^[133] the galaxies’ supermassive black holes will merge. Eventually, in roughly 6 billion years, the Milky Way and Andromeda will complete their merger into a giant elliptical galaxy. During the merger, if there is enough gas, the increased gravity will force the gas to the centre of the forming elliptical galaxy. This may lead to a short period of intensive star formation called a starburst.^[132] In addition, the infalling gas will feed the newly formed black hole, transforming it into an active galactic nucleus. The force of these interactions will likely push the Solar System into the new galaxy’s outer halo, leaving it relatively unscathed by the radiation from these collisions.^[132][133]

It is a common misconception that this collision will disrupt the orbits of the planets in the Solar System. Although it is true that the gravity of passing stars can detach planets into interstellar space, distances between stars are so great that the likelihood of the Milky Way–Andromeda collision causing such disruption to any individual star system is negligible. Although the Solar System as a whole could be affected by these events, the Sun and planets are not expected to be disturbed.^[134]

However, over time, the cumulative probability of a chance encounter with a star increases, and disruption of the planets becomes all but inevitable. Assuming that the Big Crunch or Big Rip scenarios for the end of the Universe do not occur, calculations suggest that the gravity of passing stars will have completely stripped the dead Sun of its remaining planets within 1 quadrillion (10¹⁵) years. This point marks the end of the Solar System. Although the Sun and planets may survive, the Solar System, in any meaningful sense, will cease to exist.^[3]

Chronology[edit]

The time frame of the Solar System’s formation has been determined using radiometric dating. Scientists estimate that the Solar System is 4.6 billion years old. The oldest known mineral grains on Earth are approximately 4.4 billion years old.^[135] Rocks this old are rare, as Earth’s surface is constantly being reshaped by erosion, volcanism, and plate tectonics. To estimate the age of the Solar System, scientists use meteorites, which were formed during the early condensation of the solar nebula. Almost all meteorites (see the Canyon Diablo meteorite) are found to have an age of 4.6 billion years, suggesting that the Solar System must be at least this old.^[136]

Studies of discs around other stars have also done much to establish a time frame for Solar System formation. Stars between one and three million years old have discs rich in gas, whereas discs around stars more than 10 million years old have little to no gas, suggesting that giant planets within them have ceased forming.^[34]

Timeline of Solar System evolution[edit]

Note: All dates and times in this chronology are approximate and should be taken as an order of magnitude indicator only.

Chronology of the formation and evolution of the Solar System

Phase	Time since formation of the Sun	Time from present (approximate)	Event
Pre-Solar System	Billions of years before the formation of the Solar System	Over 4.6 billion years ago (bya)	Previous generations of stars live and die, injecting heavy elements into the interstellar medium out of which the Solar System formed.[15]
~ 50 million years before formation of the Solar System	4.6 bya	If the Solar System formed in an Orion nebula-like star-forming region, the most massive stars are formed, live their lives, die, and explode in supernova. One particular supernova, called the primal supernova, possibly triggers the formation of the Solar System.[19][20]
Formation of Sun	0–100,000 years	4.6 bya	Pre-solar nebula forms and begins to collapse. Sun begins to form.[34]
100,000 – 50 million years	4.6 bya	Sun is a T Tauri protostar.[9]
100,000 – 10 million years	4.6 bya	By 10 million years, gas in the protoplanetary disc has been blown away, and outer planet formation is likely complete.[34]
10 million – 100 million years	4.5–4.6 bya	Terrestrial planets and the Moon form. Giant impacts occur. Water delivered to Earth.[2]
Main sequence	50 million years	4.5 bya	Sun becomes a main-sequence star.[29]
200 million years	4.4 bya	Oldest known rocks on the Earth formed.[135][137]
500 million – 600 million years	4.0–4.1 bya	Resonance in Jupiter and Saturn’s orbits moves Neptune out into the Kuiper belt. Late Heavy Bombardment occurs in the inner Solar System.[2]
800 million years	3.8 bya	Oldest known life on Earth.[76][137] Oort cloud reaches maximum mass.[79]
4.6 billion years	Today	Sun remains a main-sequence star.[112]
6 billion years	1.4 billion years in the future	Sun’s habitable zone moves outside of the Earth’s orbit, possibly shifting onto Mars’s orbit.[115]
7 billion years	2.4 billion years in the future	The Milky Way and Andromeda Galaxy begin to collide. Slight chance the Solar System could be captured by Andromeda before the two galaxies fuse completely.[132]
Post–main sequence	10 billion – 12 billion years	5–7 billion years in the future	Sun has fused all of the hydrogen in the core and starts to burn hydrogen in a shell surrounding its core, thus ending its main sequence life. Sun begins to ascend the red-giant branch of the Hertzsprung–Russell diagram, growing dramatically more luminous (by a factor of up to 2,700), larger (by a factor of up to 250 in radius), and cooler (down to 2600 K): Sun is now a red giant. Mercury, Venus and possibly Earth are swallowed.[113][118] During this time Saturn’s moon Titan may become habitable.[120]
~ 12 billion years	~ 7 billion years in the future	Sun passes through helium-burning horizontal-branch and asymptotic-giant-branch phases, losing a total of ~30% of its mass in all post-main-sequence phases. The asymptotic-giant-branch phase ends with the ejection of its outer layers as a planetary nebula, leaving the dense core of the Sun behind as a white dwarf.[113][124]
Remnant Sun	~ 1 quadrillion years (1015 years)	~ 1 quadrillion years in the future	Sun cools to 5 K.[138] Gravity of passing stars detaches planets from orbits. Solar System ceases to exist.[3]

See also[edit]

Notes[edit]

References[edit]

Bibliography[edit]

• Duncan, Martin J.; Lissauer, Jack J. (1997). «Orbital Stability of the Uranian Satellite System». Icarus. 125 (1): 1–12. Bibcode:1997Icar..125….1D. doi:10.1006/icar.1996.5568.
• Zeilik, Michael A.; Gregory, Stephen A. (1998). Introductory Astronomy & Astrophysics (4th ed.). Saunders College Publishing. ISBN 0-03-006228-4.

External links[edit]

• 7M animation from skyandtelescope.com showing the early evolution of the outer Solar System.
• QuickTime animation of the future collision between the Milky Way and Andromeda
• How the Sun Will Die: And What Happens to Earth (Video at Space.com)

Наша Солнечная система неизбежно погибнет. Для этого потребуется некоторое время. В течение нескольких миллиардов лет произойдет ряд печальных событий — как не очень значительных, так и поистине катастрофических. После этого Солнечная система исчезнет: все планеты будут уничтожены, а Солнце превратится в одинокого белого карлика.

(Сделаем небольшую паузу, чтобы вытереть слезы).

Итак, я буду вашим гидом по грядущему апокалипсису. Если коротко, нашу система пройдет через следующие пять этапов:

1. Океаны испарятся.
2. Орбиты каменистых планет могут стать нестабильными, что чревато их столкновением.
3. Солнце станет красным гигантом и поглотит каменистые планеты.
4. Проходящая мимо звезда вызовет динамическую нестабильность среди оставшихся планет.
5. Проходящая мимо звезда уничтожит последнюю планету в солнечной системе.

Каждое из этих событий произойдет почти наверняка, за исключением пункта 2 — его реализация маловероятна. Но потребуется около 100 миллиардов лет, чтобы достичь пункта 5.

Так начнем же!

1. На Земле исчезнут жидкость и жизнь

Солнце медленно нагревается. Сегодня оно примерно на 30% ярче, чем сразу после своего образования. По мере того как внутри солнечного ядра водород превращается в гелий, средняя молекулярная масса звезды увеличивается, увеличивая тем самым температуру ядра и скорость реакции синтеза (называемой протонной цепью). Это медленно увеличивает выработку Солнцем энергии.

Жизнь, какой мы ее знаем, требует жидкой воды. Чтобы поддерживать количество жидкой воды на поверхности планеты в нужном объеме, должен существовать баланс между поступающей и выходящей энергией — лишь в этом случае сохраняется правильный температурный диапазон.

Энергетический баланс всегда настраивается сам по себе. Если количество парниковых газов в атмосфере Земли увеличивается (как это происходит сегодня), подобный эффект «укрытия одеялом» создает новый энергетический баланс, ведущий к повышению температуры.

На Земле есть встроенный термостат — карбонатно-силикатный цикл, который регулирует количество углекислого газа в атмосфере, поддерживая таким образом стабильный климат. Увы, работает он на масштабах миллионов лет — слишком медленно, чтобы помочь нам с текущей проблемой глобального потепления.

Другой причина нагревания планеты — увеличение количества поступающей энергии из-за увеличения яркости солнца. И хотя существуют гораздо более краткосрочные колебания климата Земли в зависимости от времен года, изменений состава атмосферы (как от антропогенных парниковых газов, так и от вулканической пыли) и циклов Миланковича, поверхность Земли медленно, но неумолимо нагревается.

В какой-то момент атмосфера нашей планеты больше не сможет поддерживать стабильный энергетический баланс, и парниковый эффект перейдет в фазу безудержного роста. Для парникового эффекта существует петля положительной обратной связи. Поверхность планеты становится более горячей, что приводит к испарению большего количества воды в атмосферу. Вода является сильным парниковым газом, поэтому этот процесс увеличивает силу парникового эффекта, который еще больше нагревает поверхность планеты.

Как только парниковый эффект прекратится, он нагреет поверхность Земли до такой степени, что океаны полностью испарятся. Планета просто будет становится все горячее, пока не наступит новый баланс, с обжигающе горячей поверхностью и водой, полностью испарившейся в атмосферу (вероятно, это будет вода в «сверхкритическом» состоянии, где стирается грань между жидкостью и газом). Вблизи поверхности Земли будет больше водяного пара, но жидкого океана не будет.

2. Орбиты каменистых планет дестабилизируются и, возможно, пересекутся

Орбиты планет нестабильны. В математическом смысле это означает, что мы не можем предсказать их точное положение в отдаленном будущем (через примерно 10–100 миллионов лет).

Компьютеры могут помочь нам спрогнозировать эволюцию орбит, хотя и с известной долей вероятности. Используя коды, разработанные специально для отслеживания орбит во времени, мы можем смоделировать множество возможных вариантов будущего Солнечной системы.

Некоторые расчеты показывают, что орбита Меркурия станет чрезвычайно вытянутой или эксцентричной. Это может произойти, если Меркурий войдет в «вековой резонанс» с Юпитером. Резонанс выравнивает орбиты двух планет, что приводит к постепенному удлинению орбиты Меркурия.

Как только орбита Меркурия станет настолько вытянутой, что пересечет орбиту Венеры, могут произойти самые безумные вещи. Меркурий может подойти так близко к Солнцу, что оно его поглотит.

Также существует вероятность, что Меркурий столкнется с Венерой. Возможно, самый драматичный вариант, который мы можем смоделировать, заключается в том, что Меркурий изменит орбиты других каменистых планет до такой степени, что вызовет столкновение между Землей и Марсом.

Какова вероятность того, что это произойдет? Действительно ли Земля столкнется с Марсом через 3 миллиарда лет? Самое тщательное исследование на сегодняшний день показало, что Меркурий войдет в резонанс с Юпитером в ближайшие 5 миллиардов лет с вероятность 1%. И даже если это произойдет, вероятность столкновения Меркурия с Землей невелика. Больше шансов, что Меркурий просто упадет на Солнце или столкнется с Венерой.

Другими словами, с вероятностью 99% орбиты каменистых планет будут продолжать вращаться вокруг Солнца как обычно, по крайней мере, до тех пор, пока само Солнце не начнет меняться…

Солнце превратится в красного гиганта, поглотит ближайшие планеты и станет белым карликом.

Солнце пробудет красным гигантом около полумиллиарда лет. Его яркость увеличится, смещая обитаемую зону — в нее войдут Юпитер и Сатурн. Во время этой фазы на поверхностях больших спутников, вращающихся вокруг планет-гигантов, может появиться жидкая вода. Многие из этих спутников содержат большое количество воды в своих недрах. Ганимед, самый большой спутник Солнечной системы, имеет массу примерно в сорок раз меньше, чем Земля, но считается, что он примерно наполовину состоит из воды! Таким образом, водный потенциал Ганимеда значительно превосходит земной, поскольку наша планета состоит из воды всего на 1/1000 своей массы. Примерно через семь миллиардов лет Ганимед превратится в настоящую океаническую луну.

Орбиты планет будут приспосабливаться к меняющемуся Солнцу. Когда Солнце станет красным гигантом, оно поглотит внутренние планеты. По мере того как Солнце будет терять массу из-за мощных ветров, исходящих с его поверхности, и его гравитация будет слабеть, орбиты удаленных от Солнца планет станут расширяться.

Солнце расширится примерно в сто раз и будет простираться примерно до нынешней орбиты Земли. Наша планета находится на грани: мы не знаем, будет ли она поглощена Солнцем или выйдет на большую орбиту.

Тем временем ядро Солнца будет сжиматься до тех пор, пока повышенные температура и давление не позволят синтезировать гелий. Произойдет несколько вспышек, затем Солнце сбросит свои внешние слои в виде «планетарной туманности» (которая не имеет ничего общего с планетами — это просто старое название, которое прижилось). От Солнца останется лишь ядро, маленький белый карлик, который затем будет остывать целую вечность.

Белые карлики весят почти столько же, сколько Солнце, но размером они примерно с Землю. Из-за этого у них чрезвычайно высокая гравитация, и любой материал тяжелее водорода или гелия оседает в их атмосфере за несколько дней или месяцев — астрономическое мгновение ока.

Когда мы смотрим на белых карликов, большая часть из них кажется «загрязненной»: мы не видим спектры чистого водорода или гелия, поскольку их внешние слои загрязнены каменистым (а иногда и оледенелым) веществом. Белые карлики могут быть загрязнены веществом, падающим в виде обломков с близлежащих орбит. Обломки происходят от небольших тел, которые были сброшены планетами во время их орбитального сдвига. Поскольку белый карлик — крошечная мишень, маленькие тела не врезаются в звезду, а разрываются на части гравитацией, образуя диски из камней, которые превращаются в пыль, когда они вращаются очень близко к белому карлику.

Примерно через 7 миллиардов лет Солнце превратится в белого карлика. Земля будет либо поглощена красным гигантским Солнцем, либо просто основательно поджарена. При взгляде со стороны единственным намеком на то, что бледно-голубая точка когда-то вращалась вокруг этого белого карлика, будут несколько характерных спектральных линий — своего рода брызги крови от давно умершей планеты.

Но это еще не конец. Пять (или, может быть, шесть, если Земле повезет) планет выживут, чтобы лицезреть Солнце в виде белого карлика.

3. Проходящая мимо звезда вызовет динамическую нестабильность среди планет

Ничто не длится вечно (даже холодный ноябрьский дождь).

После того, как Солнце превратится в белого карлика, его планетная система станет почти в два раза больше, чем сейчас. Не с точки зрения количества планет, конечно (прощайте, внутренние каменистые планеты), а с точки зрения размеров орбит выживших планет. Солнце потеряет около 40% своей массы, большая часть которой создаст красивую планетарную туманность. Орбиты планет в ответ расширятся примерно на 85%. Орбита Нептуна вырастет с 30 примерно до 55 астрономических единиц, обозначив внешний край планет.

Вновь установившейся стабильности будут теперь угрожать лишь другие звезды.

Звезды проводят много времени рядом друг с другом только в младенчестве. В новорожденных скоплениях звезды часто проходят относительно близко друг к другу. (Точное число зависит от размера и плотности кластера рождения). Иногда звезды проходят так близко, что их гравитация влияет на то, что находится на орбите вокруг другой звезды. Например, проходящая мимо звезда может дестабилизировать самые отдаленные части планетообразующего диска другой звезды. А в некоторых случаях проходящая мимо звезда может даже украсть планету с очень широкой орбитой. (Это возможное происхождение гипотетической планеты номер 9.)

Одна из моделей предполагает, что орбиты очень удаленных объектов в поясе Койпера формировались на ранних этапах развития Солнечной системы, когда звезда находилась на расстоянии от нескольких сотен до тысячи астрономических единиц от Солнца. (Это модель вызывает споры.) Это типичное расстояние для встречи, которая могла бы случится со звездой, подобной Солнцу.

Как только родовые скопления рассеиваются, звезды обычно остаются далеко друг от друга. Это происходит потому, что космос действительно очень большой. Учитывая плотность звезд в окрестностях Солнца и то, как быстро они движутся, мы можем рассчитать время, необходимое звезде, чтобы пройти на определенном расстоянии от Солнца. В среднем другая звезда проходит в пределах 10000 астрономических единиц от Солнца каждые 20 миллионов лет или около того, в пределах 1000 астрономических единиц каждые миллиард лет и в пределах 100 астрономических единиц каждые 100 миллиардов лет.

Позвольте мне рассказать про фантастическое исследование 2020 года за авторством Джона Цинка, Константина Батыгина и Фреда Адамса — оно действительно углубило наше понимание далекого будущего Солнечной системы. Ученые смоделировали десять вариантов орбитальной эволюции Солнечной системы в течение следующего триллиона лет. Большой взрыв произошел всего лишь 14 миллиардов лет назад, поэтому расчеты Цинка и его коллег охватывают период, примерно в 70 раз превышающий нынешний возраст Вселенной. Десять созданных моделей отличаются друг от друга, главным образом, с точки зрения прохождения звезд вблизи Солнца и планет.

Планетарная система подвергается сильному воздействию лишь в том случае, когда звезда проходит очень близко — в пределах, превышающих размер самой большой планетарной орбиты в три-пять раз. Поскольку Нептун находится на расстоянии 30 астрономических единиц от Солнца, звезде необходимо было бы пройти в пределах примерно 100 астрономических единиц, чтобы оказать достаточное влияние на Солнечную систему. Но поскольку Нептун будет находиться на расстоянии 55 астрономических единиц от Солнца, когда оно станет белым карликом, звезда, проходящая в пределах около 200 астрономических единиц, несомненно окажет сильное влияние на планеты. Даже пролет на расстоянии 500 астрономических единиц даст Нептуну заметный гравитационный толчок.

Согласно моделям Цинка и его коллег, примерно за 30 миллиардов лет другая звезда пройдет в пределах нескольких сотен астрономических единиц от Солнечной системы и вызовет динамическую нестабильность. Это будет гораздо более сильная нестабильность, чем та, которая произошла в начале зарождения Солнечной системы. Вместо относительно плавного расширения орбит планет-гигантов это будет выглядеть как динамическая нестабильность, которая, по мнению астрофизиков, является обычным явлением среди систем гигантских экзопланет (и которая часто разрушает их каменистые планеты):

Эта динамическая нестабильность выбросит все оставшиеся планеты, кроме одной. Гравитационные толчки между планетами дадут каждой планете (кроме одной) достаточно орбитальной энергии для запуска в межзвездное пространство, где они станутся планетами, отравившимися в свободный полет. В большинстве симуляций Цинка Юпитер был последней устоявшей планетой, вращающейся на вытянутой орбите, подобной орбитам гигантских экзопланет.

С этого момента Солнечная система будет состоять лишь из белого карлика, которого когда-то называли Солнцем, и Юпитера.

4. Проходящая мимо звезда уничтожит последнюю планету в Солнечной системе

Подобно тому, как у каждой веревки есть точка разрыва, любая планета может быть оторвана от своей звезды, если другая звезда пройдет достаточно близко.

В этом случае Юпитер, последняя планета Солнечной системы, будет находиться на широкой, вытянутой орбите.

Другие звезды могут подтолкнуть Юпитер к отрыву, но на самом деле решающую роль сыграет эффект очень редких и очень близких столкновений. В соответствии с моделями Цинка нужно подождать около 100 миллиардов лет, чтобы звезда прошла на расстоянии примерно 200 астрономических единиц от Юпитера. Звезда придаст Юпитеру гравитационную энергию, необходимую для того, чтобы сбежать от белого карликового Солнца и никогда не вернуться. (Расчеты Цинка показали временной диапазон побега последней планеты в Солнечной системе — этого нужно ждать не раньше, чем через 40 миллиардов лет, но не позже, чем через 300 с небольшим миллиардов лет.)

Когда все закончится, пять или шесть из восьми первоначальных планет Солнечной системы еще будут целыми, просто они будут летать неизвестно где. Эти планеты останутся как свободно плавающие планеты, или «сироты» (две или три другие будут поглощены во время фазы красного гиганта). Конечно, эти планеты не останутся в одиночестве: количество свободно плавающих планет будет постоянно увеличиваться, поскольку многие другие звезды также потеряют свои планеты в межзвездном пространстве.

Так закончится история Солнечной системы. Я надеюсь, вам понравилась эта история.

Потребовалось 13,8 миллиарда лет космической эволюции, чтобы мы оказались здесь. Поколения звезд должны были жить и умереть, чтобы создать тяжелые элементы; крошечные протогалактики должны были слиться, чтобы образовался Млечный Путь; облака межзвездного газа должны были коллапсировать и сформировать новые звезды с твердыми планетами; сложная неорганическая и органическая химия должны были подружиться на одном из таких новых миров; биологическая эволюция — и природные катаклизмы — должны были пойти по одному из извилистых путей, чтобы в конечном итоге всего несколько тысяч лет назад появились люди.

Когда исчезнет галактика

За последние 12 000 лет или около того мы создали сельское хозяйство, науку, страны и всю современную цивилизацию, которые нам известны сегодня. Это увлекательное путешествие, которое преобразовало наш мир и, благодаря космической программе человечества, преобразует нашу Солнечную систему.

Но мир, которым мы наслаждаемся сегодня, независимо от того, что делаем, не будет существовать вечно и наше Солнце рано или поздно погаснет. Ряд земных событий должны изменить положение вещей в нашем мире и сделать Землю совершенно неузнаваемой для всех, кто сегодня живет. Примерно через 60 000 лет Солнце и звезды передвинутся и наши современные созвездия исчезнут с лица неба. Еще через 100 000 лет мы, вероятно, попадем в новый ледниковый период по причинам, которые мало связаны с деятельностью человека. И прежде чем пройдет еще миллион лет, земные вулканы навсегда изменят ландшафт Земли.

Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.

Но все это мелочь по сравнению с тем, что Вселенная готовит для нас. Чуть меньше чем через четыре миллиарда лет галактика Андромеды (и, возможно, галактика Треугольник) объединится с нашей галактикой Млечный Путь, сильно изменив структуру галактики и вид ночного неба. Сейчас она в 2,5 миллионах световых лет от нас и движется со скорость 43 км/с, а значит первое столкновение произойдет через 3,8 миллиарда лет, а уже через 5,5 миллиардов лет слияние будет завершено. Гравитация приведет к тому, что вся местная группа галактик объединится с нашей в одну гигантскую эллиптическую галактику Млекомеда. На больших космических масштабах все другие галактики продолжат удаляться прочь от нас, пока не исчезнут из нашего поля зрения совершенно — примерно через 100 миллиардов лет.

Когда погаснет Солнце

Все это время наша Солнечная система будет оставаться в полном порядке, разве что выглядеть будет иначе. Солнце будет продолжать нагреваться по мере старения, пока через 1-2 миллиарда лет не положит конец жизни на Земле, вскипятив океаны нашей планеты. Еще через 5-7 миллиардов в ядре Солнца закончится ядерной топливо, и наша родная звезда станет красным гигантом, поглотив Меркурий и Венеру в этом процессе. Из-за особенной звездной эволюции, система Земля — Луна, вероятно, будет вытолкнута прочь и ей повезет избежать огненной судьбы наших внутренних соседей.

После того, как Солнце дожжет оставшееся ядерное топливо — в основном, гелий — его внешние слои раздуются в планетарную туманность, а ядро будет сжиматься, пока не станет белым карликом. Такова конечная судьба почти всех звезд в нашей Вселенной. Но планеты все еще будут здесь, вращаться вокруг нашего холодного, тусклого остатка звезды еще 9,5 миллиардов лет (если считать с текущего момента).

Вам будет интересно: Астрономы обнаружили конец галактики Млечный Путь и она больше, чем мы думали

Все это время Земля будет продолжать вращаться вокруг Солнца, а Луна — оказывать на нее гравитационную тягу, что вызовет крутящий момент. Поэтому Луна будет уходить дальше от Земли, при этом замедляя вращение Земли. Это замедление будет практически неощутимым; вращение Земли будет замедляться на какие-то 1,4 миллисекунды за сотню лет. Но по прошествии 50 миллиардов лет орбитальный период Луны будет составлять 47 дней (сейчас — 27,3 дня), а наши 24-часовые сутки должны будут замедлиться, чтобы соответствовать этому: сутки станут длиннее в 47 раз через 50 миллиардов лет. К тому моменту Земля и Луна станут приливно заблокированными, то есть Луна будет всегда появляться в одном и том же месте на небе.

Могут ли погаснуть все звезды

Поскольку образование звезд продолжится, умирающие звезды будут сбрасывать свое топливо в межзвездное пространство и неудавшиеся звезды будут сливаться воедино. При этом количество материала для изготовления звезд будет ограничено. Даже самый долгоживущие звезды будут существовать каких-то 100 триллионов лет (10¹⁴), а спустя квадриллион лет (10¹⁵) формирования звезд иссякнет полностью. Лишь случайные столкновения или слияния между неудавшимися звездами или их остатками будут подсвечивать нашу галактику; в остальном процесс будет ввергать ее в холод и тьму. Наконец, белые карликовые звезды станут черными, когда остынут и испустят свою энергию. Да, это займет много времени (порядка 10¹⁶ лет), в миллион раз больше текущего возраста Вселенной. Атомы все еще будут, но их температура будет чуть выше абсолютного нуля. Вот тогда-то ночное небо будет действительно темным и черным, без какого-либо видимого света, поскольку все звезды прекратят свое существование. Во всяком случае в нашей местной группе галактик.

Сколько времени потребовалось бы нашему черному карлику (который когда-то был нашим Солнцем), чтобы встретить другого, слиться с ним и оживить его? Между нами, Андромедой и остальной частью местной группы порядка триллиона звезд и звездных останков. В этой хаотической системе обычная система звезд может долго-долго ни с чем и ни с кем не сталкиваться, но ведь у нас есть время. Через 10²¹ лет черный карлик в центре нашей Солнечной системы случайным образом столкнется с другим черным карликом, породит взрыв сверхновой типа Iа и уничтожит то, что осталось от нашей Солнечной системы.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Такой будет конечная судьба многих звезд нашей местной группы, но не всех и даже, наверное, не нашей. Есть другой процесс, который будет более эффективным, а значит и более вероятным для нас: гравитационное выталкивание из местной группы вследствие процесса насильственной релаксации. При наличии нескольких тел на гравитационно хаотичной орбите, одно из них однажды выбрасывается, оставляя другие более тесно связанными. Это происходит в шаровых скоплениях с течением времени и объясняет, почему они настолько компактны, а также почему существует так много слившихся воедино старых звезд в ядрах этих древних реликтов.

Будет ли космос существовать всегда

Гравитационный выброс происходит примерно в 100 раз чаще случайного слияния, а значит наша звезда и остальные связанные планеты, вероятно, будут выброшены в бездну уже пустого пространства примерно через 10¹⁹ лет. Но ничто не вечно, даже космос. Каждая орбита — даже гравитационные орбиты в общей теории относительности — медленно распадаются со временем. Может потребоваться очень много времени, возможно, 10¹⁵⁰ лет, но в конечном итоге орбиты Земли развалятся и она устремится по спирали к центральной массе нашей Солнечной системы. Такой будет наша судьба, если нас выбросит.

Но если мы остаемся в гигантской галактике, в которую превратится Млекомеда, нам не суждено оказаться в черной дыре в центре галактике. Чтобы это произошло, потребуется 10²⁰⁰ лет, но черные дыры столько не живут. Они медленно испаряются в виде излучения Хокинга. Благодаря этому распаду, даже самые массивные черные дыры во Вселенной будут жить не больше 10¹⁰⁰ лет, а черная дыра солнечной массы — каких-то 10⁶⁷ лет.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

После распада черной дыры останется только темная материя, а значит, Земля устремится к черному карлику, который однажды был нашим Солнцем. Вне зависимости от того, сколько раз наш мир мог оказаться и оказывался в огне, наша конечная судьба — замерзнуть в холодной, пустой Вселенной. Все пройдет. И это тоже.

Формирование и эволюция Солнечной системы

Протосолнце и протопланеты в представлении художника

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды —Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.

Формирование

Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака — небулярная гипотеза — первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.

Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом:

• Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества — центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (Металличность), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.
• В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.
• Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.
• При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться — сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.
• Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась реакция термоядерного синтеза гелия из водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении.

Последующая эволюция

Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце XX — начале XXI века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас. По современным представлениям, внешняя Солнечная Система была гораздо компактнее по размеру чем сейчас, пояс Койпера был гораздо ближе к Солнцу, а во внутренней Солнечной системе помимо доживших до настоящего времени небесных тел существовали и другие объекты, по размеру не меньшие чем Меркурий.

Планеты земного типа

Гигантское столкновение двух небесных тел, возможно, породившее спутник Земли Луну

В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50-100 протопланетами с размерами, варьирующимися от лунного до марсианского. Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии, в то время как в результате другого т.н. гигантского столкновения (возможно, с гипотетической планетой Тейя) был рождён спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела, известных сейчас.

Одной из нерешённых проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырёх планет. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими. Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет. Другая гипотеза предполагает, что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счёт взаимодействия с газом, а за счёт взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью, и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту.

Пояс астероидов

Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а.е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Выдвигались, но в итоге не были подтверждены гипотезы о существовании планеты между Марсом и Юпитером (например, гипотетической планеты Фаэтон), которая на ранних этапах формирования Солнечной системы разрушилась так, что её осколками стали астероиды, сформировавшие пояс астероидов. Согласно современным воззрениям, единой протопланеты-источника астероидов не было. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2-3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетозималей, которые слипались между собой, образуя всё более крупные объекты. В результате этих слияний в поясе астероидов сформировалось около 20-30 протопланет с размерами от лунного до марсианского. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетозимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта планетозимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились вместо того чтобы плавно сливаться.

По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер. В результате этих резонансов планетозимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса. Некоторые из массивных протопланет также были выброшены Юпитером за пределы пояса астероидов, в то время как другие протопланеты, вероятно, мигрировали во внутреннюю Солнечную систему, где сыграли финальную роль в увеличении массы нескольких оставшихся планет земного типа. В течение этого периода истощения влияние планет-гигантов и массивных протопланет заставило астероидный пояс «похудеть» до всего лишь 1 % от Земной массы, которую составляли в основном маленькие планетозимали. Эта величина, однако, в 10-20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли. Считается, что второй период истощения, который и привёл массу астероидного пояса к текущим значениям, наступил, когда Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1.

Вполне вероятно, что период гигантских столкновений в истории внутренней Солнечной системы сыграл важную роль в получении Землёй её запасов воды (~6·10²¹ кг). Дело в том, что вода — слишком летучее вещество, чтобы возникнуть естественным образом во время формирования Земли. Скорее всего она была занесена на Землю из внешних, более холодных областей Солнечной системы. Возможно, именно протопланеты и планетозимали, выброшенные Юпитером за пределы астероидного пояса, занесли воду на Землю. Другими кандидатами на роль главных доставщиков воды являются также кометы главного пояса астероидов, обнаруженные в 2006 году, в то время как кометы из пояса Койпера и из других отдалённых областей предположительно занесли на Землю не более 6 % воды.

Планетная миграция

В соответствии с небулярной гипотезой, две внешние планеты Солнечной системы находятся в «неправильном» месте. Уран и Нептун, «ледяные гиганты» Солнечной системы, располагаются в области, где пониженная плотность вещества туманности и длительные орбитальные периоды делали формирование таких планет весьма маловероятным событием. Считается, что эти две планеты изначально сформировались на орбитах вблизи Юпитера и Сатурна, где имелось гораздо больше строительного материала, и только спустя сотни миллионов лет мигрировали на свои современные позиции.

Симуляция, показывающая расположение внешних планет и пояса Койпера: a) Перед орбитальным резонансом 2:1 Юпитера и Сатурна b) Разбрасывание объектов древнего пояса Койпера по Солнечной системе после сдвига орбиты Нептуна c) После выбрасывания Юпитером объектов пояса Койпера за пределы системы

Планетная миграция в состоянии объяснить существование и свойства внешних регионов Солнечной системы. За Нептуном Солнечная система содержит пояс Койпера, Рассеянный диск и облако Оорта, представляющие собой рассеянные скопления маленьких ледяных тел и дающие начало большинству наблюдаемых в Солнечной системе комет. Сейчас пояс Койпера располагается на расстоянии 30-55 а.е. от Солнца, рассеянный диск начинается в 100 а.е. от Солнца, а облако Оорта — в 50 000 а.е. от центрального светила. Однако в прошлом пояс Койпера был гораздо плотнее и ближе к Солнцу. Его внешний край находился примерно в 30 а.е. от Солнца, в то время как его внутренний край располагался непосредственно за орбитами Урана и Нептуна, которые в свою очередь были также ближе к Солнцу (приблизительно 15-20 а.е.) и, кроме того, располагались в противоположном порядке: Уран был дальше от Солнца чем Нептун.

После формирования Солнечной системы орбиты всех планет-гигантов продолжали медленно изменяться под влиянием взаимодействий с большим количеством оставшихся планетозималей. Спустя 500—600 миллионов лет (4 миллиарда лет назад) Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1; Сатурн совершал один оборот вокруг Солнца в точности за то время, за которое Юпитер совершал 2 оборота. Этот резонанс создал гравитационное давление на внешние планеты, вследствие чего Нептун вырвался за пределы орбиты Урана и врезался в древний пояс Койпера. По этой же причине планеты стали отбрасывать окружающие их ледяные планетозимали вовнутрь Солнечной системы, в то время как сами стали отдаляться вовне. Этот процесс продолжался аналогичным образом: под действием резонанса планетозимали выбрасывались вовнутрь системы каждой последующей планетой, которую они встречали на своём пути, а орбиты самих планет отдалялись все дальше. Этот процесс продолжался до тех пор, пока планетозимали не вошли в зону непосредственного влияния Юпитера, после чего огромная гравитация этой планеты отправила их на высокоэллиптические орбиты или даже выбросила их за пределы Солнечной системы. Эта работа в свою очередь слегка сдвинула орбиту Юпитера вовнутрь. Объекты, выброшенные Юпитером на высокоэллиптические орбиты, сформировали облако Оорта, а тела, выброшенные мигрирующим Нептуном, сформировали современный пояс Койпера и рассеянный диск. Данный сценарий объясняет, почему рассеянный диск и пояс Койпера имеют малую массу. Некоторые из катапультированных объектов, включая Плутон, со временем вошли в гравитационный резонанс с орбитой Нептуна. Постепенно трение с рассеянным диском сделало орбиты Нептуна и Урана вновь гладкими.

Существует также гипотеза о пятом газовом гиганте, претерпевшем радикальную миграцию и вытолкнутом при формировании современного облика Солнечной системы на её далёкие окраины (ставшим гипотетической планетой Тюхе или другой «Планетой X») или даже за её пределы (ставшим планетой-сиротой).

Подтверждение теории о массивной планете за орбитой Нептуна нашли Констанин Батыгин и Майкл Браун 20 января 2016 года на основе орбит шести транснептуновых объектов. Её масса, использующаяся в расчётах составляла примерно 10 земных масс, а оборот вокруг Солнца предположительно занимал от 10.000 до 20.000 земных лет.

Считается, что в отличие от внешних планет внутренние тела системы не претерпевали значительных миграций, поскольку после периода гигантских столкновений их орбиты оставались стабильными.

Поздняя тяжёлая бомбардировка

Гравитационное разрушение древнего астероидного пояса, вероятно, положило начало периоду тяжёлой бомбардировки, происходившему около 4 миллиардов лет назад, через 500—600 миллионов лет после формирования Солнечной системы. Этот период длился несколько сотен миллионов лет и его последствия видны до сих пор на поверхности геологически неактивных тел Солнечной системы, таких как Луна или Меркурий, в виде многочисленных кратеров ударного происхождения. А самое древнее свидетельство жизни на Земле датируется 3,8 миллиардами лет назад — почти сразу после окончания периода поздней тяжёлой бомбардировки.

Гигантские столкновения являются нормальной (хоть и редкой в последнее время) частью эволюции Солнечной системы. Доказательствами этого служат столкновение кометы Шумейкера—Леви с Юпитером в 1994, падение на Юпитер небесного тела в 2009 и метеоритный кратер в Аризоне. Это говорит о том, что процесс аккреции в Солнечной системе ещё не закончен, и, следовательно, представляет опасность для жизни на Земле.

Формирование спутников

Естественные спутники образовались у большинства планет Солнечной системы, а также у многих других тел. Различают три основных механизма их формирования:

• формирование из около-планетного диска (в случае газовых гигантов)
• формирование из осколков столкновения (в случае достаточно крупного столкновения под малым углом)
• захват пролетающего объекта

Юпитер и Сатурн имеют много спутников, таких как Ио, Европа, Ганимед и Титан, которые, вероятно, сформировались из дисков вокруг этих планет-гигантов по тому же принципу, как и сами эти планеты сформировались из диска вокруг молодого Солнца. На это указывают их большие размеры и близость к планете. Эти свойства невозможны для спутников, приобретённых путём захвата, а газообразная структура планет делает невозможной и гипотезу формирования лун путём столкновения планеты с другим телом.

Будущее

По оценкам астрономов Солнечная система не будет претерпевать экстремальных изменений до тех пор, пока Солнце не израсходует запасы водородного топлива. Этот рубеж положит начало переходу Солнца с главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рассела в фазу красного гиганта. Однако и в фазе главной последовательности звезды Солнечная система продолжает эволюционировать.

Долговременная устойчивость

Солнечная система является хаотичной системой, в которой орбиты планет непредсказуемы на очень длинном отрезке времени. Одним из примеров такой непредсказуемости является система Нептун-Плутон, находящаяся в орбитальном резонансе 3:2. Несмотря на то, что сам по себе резонанс будет оставаться стабильным, невозможно предсказать хоть с каким-нибудь приближением положение Плутона на орбите более чем на 10-20 миллионов лет (время Ляпунова). Другим примером может служить наклон оси вращения Земли, который по причине трения внутри Земной мантии, вызванного приливными взаимодействиями с Луной, невозможно высчитать начиная с некоторого момента между 1.5 и 4.5 миллиардами лет в будущем.

Орбиты внешних планет хаотичны на больших временных масштабах: их время Ляпунова составляет 2-230 миллионов лет. Это не только означает, что позицию планеты на орбите начиная с этого момента в будущем невозможно определить хоть с каким-нибудь приближением, но и орбиты сами по себе могут экстремально измениться. Наиболее сильно хаос системы может проявиться в изменении эксцентриситета орбиты, при котором орбиты планет становятся более или менее эллиптическими.

Солнечная система является устойчивой в том смысле, что никакая из планет не может столкнуться с другой или быть выброшенной за пределы системы в ближайшие несколько миллиардов лет. Однако за этими временными рамками, например, в течение 5 миллиардов лет, эксцентриситет орбиты Марса может вырасти до значения 0,2, что приведёт к пересечению орбит Марса и Земли, а значит, и к реальной угрозе столкновения. В этот же период времени эксцентриситет орбиты Меркурия может увеличиться ещё больше, и впоследствии близкое прохождение около Венеры может выбросить Меркурий за пределы Солнечной системы, или вывести на курс столкновения с самой Венерой или с Землёй.

Спутники и кольца планет

Эволюция лунных систем планет определяется приливными взаимодействиями между телами системы. Из-за разности силы гравитации, воздействующей на планету со стороны спутника, в разных её областях (более удалённые области притягиваются слабее, в то время как более близкие — сильнее), форма планеты изменяется — она как бы слегка вытягивается в направлении спутника. Если направление обращения спутника вокруг планеты совпадает с направлением вращения планеты, и при этом планета вращается быстрее чем спутник, то этот «приливный бугор» планеты будет постоянно «убегать» вперёд по отношению к спутнику. В этой ситуации угловой момент вращения планеты будет передаваться спутнику. Это приведёт к тому, что спутник будет получать энергию и постепенно удаляться от планеты, в то время как планета будет терять энергию и вращаться все медленнее и медленнее.

Земля и Луна являются примером такой конфигурации. Вращение Луны приливно-закреплено по отношению к Земле: период обращения Луны вокруг Земли (в настоящее время примерно 29 дней) совпадает с периодом вращения Луны вокруг своей оси, и поэтому Луна всегда повёрнута к Земле одной и той же стороной. Луна постепенно отдаляется от Земли, в то время как вращение Земли постепенно замедляется. Через 50 миллиардов лет, если они переживут расширение Солнца, Земля и Луна станут приливно-закреплены по отношению друг к другу. Они войдут в так называемый спин-орбитальный резонанс, при котором Луна будет обращаться вокруг Земли за 47 дней, период вращения обоих тел вокруг своей оси будет одинаков, и каждое из небесных тел будет всегда видимо только с одной стороны для своего партнёра.

Другими примерами такой конфигурации являются системы Галилеевых спутников Юпитера, а также большинство крупных лун Сатурна.

Нептун и его спутник Тритон, заснятый при пролёте миссии Вояджер-2. В будущем, вероятно, этот спутник будет разорван на части приливными силами, породив новое кольцо вокруг планеты.

Иной сценарий ожидает системы, в которых спутник движется вокруг планеты быстрее, чем она вращается вокруг себя, или в которых спутник движется в направлении противоположном направлению вращения планеты. В таких случаях приливная деформация планеты постоянно отстаёт от позиции спутника. Это меняет направление переноса углового момента между телами на противоположное. что в свою очередь приведёт к ускорению вращения планеты и сокращению орбиты спутника. С течением времени спутник будет приближаться по спирали к планете, пока в какой-то момент либо не упадёт на поверхность или в атмосферу планеты, либо не будет разорван приливными силами на части, породив таким образом планетарное кольцо. Такая судьба ожидает спутник Марса Фобос (через 30—50 миллионов лет), спутник Нептуна Тритон (через 3,6 миллиарда лет), Метиду и Адрастею Юпитера, и, как минимум, 16 мелких лун Урана и Нептуна. Спутник Урана Дездемона при этом может быть даже столкнётся с луной-соседкой.

Ну и, наконец, в третьем типе конфигурации планета и спутник приливно-закреплены по отношению друг к другу. В этом случае «приливный бугор» расположен всегда точно под спутником, передача углового момента отсутствует, и, как следствие, орбитальный период не меняется. Примером такой конфигурации является Плутон и Харон.

До экспедиции космического аппарата “Кассини — Гюйгенс” в 2004 году считалось, что кольца Сатурна намного моложе Солнечной системы, и что они просуществуют не более чем 300 миллионов лет. Предполагалось, что гравитационные взаимодействия с лунами Сатурна будут постепенно передвигать внешний край колец ближе к планете, в то время как гравитация Сатурна и бомбардирующие метеориты закончат начатое, полностью расчистив пространство вокруг Сатурна. Однако данные с миссии “Кассини” заставили учёных пересмотреть эту точку зрения. Наблюдения зарегистрировали ледяные глыбы материала до 10 км в диаметре, находящиеся в постоянном процессе дробления и переформирования, которые постоянно обновляют кольца. Эти кольца намного более массивные чем кольца других газовых гигантов. Считается, что именно эта большая масса сохранила кольца в течение 4,5 миллиардов лет, начиная с момента когда сформировался Сатурн, и, вероятно, сохранит их в течение последующих миллиардов лет.

Солнце и планеты

В далёком будущем самые большие изменения в Солнечной системе будут связаны с изменением состояния Солнца вследствие его старения. По мере сжигания Солнцем запасов водородного топлива оно будет становиться всё горячее, и, как следствие, будет расходовать запасы водорода всё быстрее. В результате этого светимость Солнца возрастает на 10 % каждые 1,1 миллиардов лет. Спустя 1 миллиард лет из-за увеличения солнечного излучения околозвёздная обитаемая зона Солнечной системы будет смещена за пределы современной земной орбиты. Поверхность Земли постепенно разогреется так сильно, что на ней станет невозможным присутствие воды в жидком состоянии. Испарение океанов создаст парниковый эффект, который приведёт к ещё более интенсивному разогреву Земли. На этом этапе существования Земли существование жизни на земной поверхности станет невозможным. Однако представляется вероятным, что в этот период начнёт постепенно повышаться температура поверхности Марса. Вода и углекислый газ, замороженные в недрах планеты, начнут высвобождаться в атмосферу, и это приведёт к созданию парникового эффекта, ещё более увеличивающему скорость разогрева поверхности. В результате атмосфера Марса достигнет условий схожих с земными, и таким образом Марс вполне может стать потенциальным убежищем для жизни в будущем.

По прошествии примерно 3,5 миллиардов лет от настоящего времени условия на поверхности Земли будут похожи на современные условия планеты Венеры: океаны в значительной степени испарятся, вся жизнь постепенно вымрет.

Структура звезды солнечного типа и красного гиганта

Приблизительно через 7,7 миллиардов лет от настоящего времени ядро Солнца станет настолько горячим, что запустит процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это повлечёт за собой сильное расширение внешних слоёв звезды, и таким образом Солнце войдёт в новую фазу своей эволюции, превратившись в красный гигант. В этой фазе радиус Солнца составит 1,2 а.е., что в 256 раз больше его современного радиуса. Многократное увеличение площади поверхности звезды приведёт к снижению температуры поверхности (около 2600 К) и к увеличению светимости (в 2700 раз больше современного значения). Поверхностные массы газов будут довольно быстро рассеиваться из-за влияния солнечного ветра, в результате чего будет унесено в окружающее пространство около 33 % его массы. Вполне вероятно, что в течение данного периода спутник Сатурна Титан достигнет условий, приемлемых для поддержания жизни.

По мере своего расширения Солнце полностью поглотит планеты Меркурий и, вероятно, Венеру. Судьба Земли в настоящее время недостаточно изучена. Несмотря на то, что радиус Солнца будет включать современную земную орбиту, потеря звездой массы и, как следствие, уменьшение силы притяжения приведут к перемещению планетных орбит на более дальние расстояния. Возможно, что это позволит Земле и Венере перейти на более высокую орбиту, избежав поглощения материнской звездой, однако исследования 2008 года показывают, что Земля скорее всего всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие приливных взаимодействий с его внешней оболочкой.

Туманность Кольцо — планетарная туманность, похожая на ту, которую однажды в будущем породит Солнце

Постепенное сгорание водорода в областях вокруг солнечного ядра будет приводить к увеличению его массы до тех пор пока не достигнет значения 45 % от массы звезды. В этот момент его плотность и температура станут такими высокими, что произойдёт гелиевая вспышка и начнётся процесс термоядерного синтеза гелия в углерод. Во время этой фазы Солнце уменьшится в размере от предыдущих 250 до 11 радиусов. Его светимость упадёт с 3000- до 54-кратного уровня современного Солнца, а температура поверхности увеличится до 4770 К. Фаза синтеза гелия в углерод будет иметь стабильный характер, но продлится всего около 100 миллионов лет. Постепенно, как и в фазе горения водорода, в реакцию будут захватываться запасы гелия из областей, окружающих ядро, что приведёт к повторному расширению звезды, и она снова станет красным гигантом. Данная фаза переведёт Солнце в асимптотическую ветвь гигантов диаграммы Герцшпрунга-Расселла. В этой стадии светимость Солнца увеличится в 2090 раз по сравнению с современной, а температура поверхности упадёт до 3500 К. Эта фаза существования Солнца продлится около 30 миллионов лет. В дальнейшем начнёт усиливаться солнечный ветер (рассеяние частиц звёздной оболочки) и оставшиеся внешние слои Солнца будут сброшены в открытый космос в виде мощных струй звёздного вещества. Отбрасываемая материя образует гало, именуемое планетарной туманностью, которое будет состоять из продуктов горения последних фаз — гелия и углерода. Эта материя будет участвовать в обогащении межзвёздного пространства тяжёлыми элементами, необходимыми для образования космических тел следующих поколений.

Процесс сброса Солнцем внешних слоев является относительно спокойным явлением по сравнению, например, со взрывом сверхновой. Он представляет собой значительное увеличение силы солнечного ветра, недостаточное для разрушения им близлежащих планет. Однако значительная потеря звездой своей массы заставит планеты сместиться со своих орбит, повергнув Солнечную систему в хаос. Некоторые из планет могут столкнуться между собой, некоторые могут покинуть Солнечную систему, некоторые — остаться на отдалённом расстоянии. Примерно через 75 000 лет от красного гиганта останется лишь его маленькое центральное ядро — белый карлик, небольшой, но очень плотный космический объект. Остаток массы составит примерно 50 % от той, что Солнце имеет сегодня, а его плотность достигнет двух миллионов тонн на каждый кубический сантиметр. Размеры этой звезды будут сравнимы с размерами Земли. Изначально этот белый карлик может иметь светимость в 100 раз превышающую современную светимость Солнца. Он будет полностью состоять из вырожденного углерода и кислорода, но никогда не сможет достичь температур, достаточных для начала синтеза этих элементов. Таким образом, белый карлик Солнце будет постепенно остывать, становясь всё тусклее и холоднее.

По мере умирания Солнца его гравитационное влияние на обращающиеся вокруг тела (планеты, кометы, астероиды) будет ослабевать из-за потери звездой массы. В этот период будет достигнута заключительная конфигурация объектов Солнечной системы. Орбиты всех сохранившихся планет переместятся на более дальние расстояния: Меркурий прекратит своё существование, если Венера, Земля и Марс будут всё ещё существовать, их орбиты будут лежать приблизительно в 1,4 а.е (210 000 000 км), 1,9 а.е. (280 000 000 км), и 2,8 а.е. (420 000 000 км). Эти и все оставшиеся планеты будут представлять собой холодные, тёмные миры, лишённые каких-либо форм жизни. Они продолжат обращаться по орбитам вокруг их мёртвой звезды, а их скорость значительно ослабеет по причине увеличения расстояния от Солнца и уменьшения гравитационного притяжения. 2 миллиарда лет спустя, когда Солнце охладится до 6000-8000 К, углерод и кислород в ядре Солнца затвердеют, 90 % массы ядра примет кристаллическую структуру. В конечном итоге, после еще многих миллиардов лет как белый карлик, Солнце полностью прекратит излучать в окружающее пространство видимый свет, радиоволны и инфракрасное излучение, превратившись в чёрный карлик. Вся история Солнца от его рождения до смерти займёт примерно 12,4 млрд лет.

Галактическое взаимодействие

Расположение Солнечной системы в галактике Млечный Путь

Солнечная Система движется сквозь галактику Млечный Путь по круговой орбите на расстоянии примерно 30 000 световых лет от галактического центра со скоростью 220 км/с. Период обращения вокруг центра галактики, так называемый галактический год, составляет для Солнечной Системы примерно 220—250 миллионов лет. С начала своего формирования Солнечная система совершила как минимум 20 оборотов вокруг центра галактики.

Многие учёные считают, что прохождение Солнечной системы сквозь галактику влияет на периодичность массовых вымираний животного мира в прошлом. Согласно одной из гипотез, вертикальные осцилляции Солнца на его орбите вокруг галактического центра, приводящие к регулярному пересечению Солнцем галактической плоскости, изменяют мощность воздействия приливных сил галактики на Солнечную систему. Когда Солнце находится вне галактического диска, влияние галактических приливных сил меньше; когда оно возвращается в галактический диск — а это происходит каждые 20-25 миллионов лет — то попадает под влияние гораздо более мощных приливных сил. Это, согласно математическим моделям, увеличивает на 4 порядка частоту комет, прибывающих из Облака Оорта в Солнечную систему, а значит, сильно увеличивает и вероятность глобальных катастроф в результате падения комет на Землю.

Однако многие оспаривают эту гипотезу, приводя аргумент, что Солнце уже находится вблизи галактической плоскости, однако последнее массовое вымирание было 15 миллионов лет назад. Следовательно, вертикальное расположение Солнечной системы относительно галактической плоскости само по себе не может объяснить периодичность массовых вымираний на Земле, однако выдвигается предположение, что эти вымирания могут быть связаны с прохождением Солнца сквозь спиральные рукава галактики. Спиральные рукава содержат не только большие скопления молекулярных облаков, гравитация которых может деформировать облако Оорта, но и большое количество ярких голубых гигантов, которые живут относительно недолгое время, и умирают, взрываясь сверхновыми, опасными для всего живого поблизости.

Столкновение галактик

Галактики «Антенны» — пример сталкивающихся галактик

Несмотря на то, что подавляющее большинство галактик во Вселенной удаляется от Млечного пути, Галактика Андромеды, являющаяся самой крупной галактикой местной группы, напротив, приближается к нему со скоростью 120 км/с. Через 2 миллиарда лет Млечный путь и Андромеда столкнутся, и в результате этого столкновения обе галактики деформируются. Внешние спиральные рукава разрушатся, но зато образуются «приливные хвосты», вызванные приливным взаимодействием между галактиками. Вероятность того, что в результате этого события Солнечная система будет выброшена из Млечного пути в хвост, составляет 12 %, а вероятность захвата Солнечной системы Андромедой составляет 3 %. После серии касательных столкновений, повышающих вероятность выброса Солнечной Системы из Млечного пути до 30 % , их центральные чёрные дыры сольются в одну. По прошествии 7 миллиардов лет Млечный Путь и Андромеда закончат своё слияние и превратятся в одну гигантскую эллиптическую галактику. Во время слияния галактик из-за увеличившейся силы гравитации межзвёздный газ будет интенсивно притягиваться к центру галактики. Если этого газа будет достаточно много, это может привести к так называемой вспышке звездообразования в новой галактике. Падающий в центр галактики газ будет активно подпитывать новообразованную чёрную дыру, превращая её в активное галактическое ядро. В эту эпоху, вероятно, Солнечная система будет вытолкнута во внешнее гало новой галактики, что позволит ей остаться на безопасном расстоянии от радиации этих грандиозных коллизий.

Достаточно распространено ошибочное предположение, что столкновение галактик почти наверняка разрушит Солнечную систему, однако это не совсем так. Несмотря на то, что гравитация пролетающих мимо звёзд вполне в состоянии это сделать, расстояние между отдельными звёздами настолько велико, что вероятность разрушительного влияния какой-нибудь звезды на целостность Солнечной системы во время галактического столкновения весьма незначительна. Скорее всего Солнечная система испытает на себе влияние столкновения галактик как целое, но расположение планет и Солнца между собой останется непотревоженным.

Однако с течением времени суммарная вероятность для Солнечной системы быть разрушенной гравитацией пролетающих мимо звёзд постепенно возрастает. Предполагая, что Вселенная не закончит своё существование в виде большого сжатия или большого разрыва, расчёты предсказывают, что Солнечная система будет полностью разрушена пролетающими звёздами за 1 квадриллион (10¹⁵) лет. В том отдалённом будущем Солнце и планеты продолжат своё путешествие по галактике, однако Солнечная система как единое целое прекратит своё существование.

По материалам Wikipedia