В комментариях к статьям об изменениях условий на планетах и лунах Солнечной системы через миллиарды лет, когда Солнце войдёт в стадию красного гиганта, внимательные читатели сделали правильное замечание: картина была избыточно упрощена. Поспорить с этим трудно. Стремясь не растекаться по древу и сосредоточиться именно на планетах, укладываясь при этом в формат, я именно упростил картину, не уделив внимания эволюции Солнца. И упросил избыточно. Конечно, просто сказать, что «светимость на стадии красного гиганта возрастёт в 35 раз», не только недостаточно. По большому счёту это ещё и ложное утверждение.
Сложнее всё будет. Так как на диаграмме:
Если же в подробности вдаваться, максимальной светимости, на 40% превосходящей современную, Солнце достигнет через 3.5 миллиарда лет. Не факт, что жизнь на Земле на данном этапе станет невозможной, – условия будут не фонтан, но и саму жизнь, имеющую бездну времени на постепенную адаптацию, не стоит недооценивать. Однако речь именно в данной статье пойдёт не о жизни, а о Солнце. Солнце же в этот момент начнёт отравляться гелием.
В настоящий момент реакции синтеза с участием водорода протекающие в ядре разгораются всё сильнее, поскольку превращение водорода в занимающий меньший объём гелий ведёт к уплотнению ядра, росту давления и улучшению условий для синтеза. Но, с другой стороны, гелий синтезу и препятствует. Промежуточные продукты, образующиеся в рамках «солнечного цикла» могут сталкиваться с ядрами гелия, растрачивать импульс и выключаться из реакции. Чем выше концентрация гелия, тем чаще будут происходить сбои. Борьба между противоречивыми тенденциями, впрочем, займёт массу времени, – ещё 3 миллиарда лет, на протяжении которых светимость Солнца будет оставаться примерно постоянной.
Лишь через 6.5 миллиардов лет выделение энергии в ядре снизится настолько, что давление излучения не сможет сдерживать «обрушение» вышележащих слоёв вещества к центру. Ядро начнёт сжиматься. Здесь надо помнить, что оно и сейчас сжимается, но «планово» – за счёт превращения водорода в гелий. Тогда же оно начнёт сжиматься стремительно, с вытеснением остатков водорода наружу.
И это ещё не переход в стадию красного гиганта. Горение водорода продолжится уже не в ядре, а в окружающем ядро сферическом слое. Здесь достигается новое равновесие. Радиус Солнца постепенно возрастёт примерно вдвое, температура снизится, светимость же сначала сразу увеличивается в полтора раза (или, сравнительно с современной в 2.2 раза), затем постепенно подрастёт до 2.7 «солнц». В таком состоянии (жёлтая пологая линия внизу графика) Солнце просуществует целых 1.2-1.5 миллиарда лет.
С переходом Солнца на стадию субгиганта наступает «эпоха Марса», – он попадает в зону Златовласки, замёрзшая углекислота испаряется, пополняя атмосферу. В принципе, кое-где могут сложиться и условия для появления открытых водоёмов. На Земле в этот период жизни придётся уйти в литосферу. Моря уже точно выкипят. Впрочем, к концу эпохи жарковато станет и на Марсе, – вода выкипит и там, ввиду низкого давления атмосферы.
Стадия красного гиганта (восходящая красная линия) начнётся, таким образом, только через 7.9 миллиардов лет. В этот момент температура сжимающегося гелиевого ядра возрастёт настолько, что оно начнёт работать, как запал, поджигая водород. По факту механизм трансформации энергии гравитационного коллапса в термоядерную заработает более эффективно. Область горения водорода начнёт расширяться от ядра к фотосфере, и звезда будет разбухать, теряя плотность. А, заодно, и массу. Интенсивность солнечного ветра на данном этапе вырастет на 10 порядков. Размер же звезды…
Радиус же звезды и светимость на этапе красного гиганта, занимающем в случае Солнца 600 миллионов лет, станут расти экспоненциально. Что видно по форме кривой. В среднем, – в среднем, – светимость окажется выше в 35 раз. Но на то, чтобы зона Златовласки достигла Цереры, уйдёт 380 миллионов лет. Юпитер же окажется в ней только через 500 миллионов лет, – так как ещё и начнёт откатываться. Ведь масса Солнца падает, а Юпитеру-то торможение солнечным ветром ни по чём. Как, впрочем, и для Марса тенденция к убеганию будет уже преобладать над торможением.
Лишь в последние 100 миллионов лет светимость станет нарастать стремительно, – экспонента же. Когда Солнце разбухнет до орбиты Земли (судьба нашей планеты непонятна), она превысит современную в 2300 раз, что означает смещение зоны Златовласки куда-то в пояс Койпера… Где никакого пояса, конечно, уже не будет. Масса Солнца сократится до 70% современной. Вероятно, волны жара настигнут убегающие Уран и Нептун, но на краткое время, измеряемое миллионами, а в случае Нептуна и сотнями тысяч лет. Луны внешних планет толком и расплавиться не успеют, так и оставшись ледяными. В газообразную форму, однако, перейдут метан и азот.
Расширение, закончится гелиевой вспышкой, – в ядре разгораются реакции синтеза углерода и кислорода. Выделение энергии снова переносится в ядро, которое перестаёт работать, как запал, и звезда за 10 миллионов лет «сдувается», – переживает «красное сгущение». После чего ещё 100-150 миллионов лет будет остывать, имея сравнительно стабильную светимость на уровне 40 «солнц» (что «комфортно» для нового положения Юпитера, спутники которого не успеют даже полностью потерять воду на предыдущем этапе), а радиус до 10 «солнц».
Затем, история повторяется. Только на этот раз из ядра во внешний, сферический слой вытесняется горящий гелий. Это ведёт к новому расширению, уже необратимому. Наружные слои выталкиваются из гравитационной ямы, плазма образует быстро (10 тысяч лет) рассеивающуюся планетарную туманность, и звезда теряет ещё четверть оставшейся массы.