Происхождение и эволюция Солнечной системы

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. 
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. Дездемона Урана 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 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 длительном 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 остатки водорода всё быстрее. В результате этого Солнце будет увеличивать светимость на 10 % каждые 1,1 миллиардов лет. Спустя 1 миллиард лет из-за увеличения солнечного излучения его околозвёздная обитаемая зона сдвинется за пределы современной земной орбиты: поверхность Земли разогреется так сильно, что на ней станет невозможным присутствие воды в жидком состоянии. Испарение воды с поверхности океанов создаст парниковый эффект, что приведет к ещё более интенсивному разогреву Земли. В этой фазе существование жизни на земной поверхности станет невозможным. Однако представляется вероятным, что в этот период начнет постепенно повышаться температура поверхности Марса. Вода и углекислый газ, замороженные в недрах планеты, начнут высвобождаться в атмосферу, и это приведёт в 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. 
Приблизительно через 5,4 миллиардов лет от настоящего времени ядро Солнца станет настолько горячим, что запустит процесс горения водорода в окружающей 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 теперешнего радиуса. Многократное увеличение площади поверхности звезды приведёт к снижению температуры поверхности (около 2600 К) и к увеличению светимости (в 2700 раз больше современного значения). Во время фазы красного гиганта Солнце будет испытывать сильное влияние звёздного ветра, который унесёт 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 менее ясна. Несмотря на то, что радиус Солнца будет включать современную Земную орбиту, потеря звездой массы и, как следствие, уменьшение силы гравитации приведут к перемещению планетных орбит на более дальние расстояния. И можно было бы предположить, что это позволит Земле и Венере избежать поглощения материнской звездой, однако исследования 2008 года показывают, что Земля скорее всего всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие приливных взаимодействий с его внешней оболочкой. 
Постепенно 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 синтеза гелия в углерод. Во время этой фазы Солнце уменьшится в размере от предыдущих 250 до 11 радиусов. Его светимость уменьшится 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 только 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. Данная фаза переведёт Солнце в Асимптотическую ветвь гигантов Диаграммы Герцшпрунга-Расселла. В этой фазе светимость Солнца увеличится снова до 2090 современных светимостей, а температура поверхности упадёт до 3500 К. Эта фаза продлится около 30 миллионов лет, после которой в течение последующих 100 000 лет оставшиеся внешние слои Солнца будут сброшены вовне в виде мощных струй материи. 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. А от Солнца в конце концов останется маленький белый карлик — сверхплотное космическое тело, составляющее 54 % от первоначальной Солнечной массы, но в диаметре примерно равное диаметру Земли. Изначально этот белый карлик может иметь светимость в 100 раз превышающую современную солнечную. 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 тусклее. 

По мере умирания Солнца его гравитационное влияние на обращающиеся вокруг тела (планеты, кометы, астероиды) будет ослабевать из-за потери звездой  массы. Орбиты всех сохранившихся планет переместятся на более дальние расстояния: 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 превратятся в тёмные холодные глыбы лишённые каких-либо форм жизни. Они продолжат обращаться по своим орбитам вокруг Солнца на более медленных скоростях по причине увеличения расстояния от Солнца и уменьшения силы гравитации. 2 миллиарда лет спустя, когда Солнце охладится до 6000-8000 К, углерод и кислород в ядре Солнца замёрзнут, 90 % массы ядра примет кристаллическую структуру. В последующие триллионы лет Солнце полностью погаснет и превратится в чёрный карлик. 

Галактическое взаимодействие 
 
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 
 
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.