Sluneční soustava se rozpadne stokrát dříve, než se čekalo. Newton měl nakonec pravdu

Slunce se za zhruba pět miliard let nafoukne, pohltí nejbližší planety a nakonec odhodí téměř polovinu své hmoty. To se ví dávno. Nové je, jakým způsobem to udělá. Nepůjde o plynulé vydechnutí, ale o tisíce jednotlivých výronů, z nichž každý do hvězdy drobně strčí. Čeká ji zhruba 4 600 takových postrčení, každé o rychlosti kolem sedmi metrů za sekundu.

Zní to jako drobnost. Sedm metrů za sekundu je tempo sprintera, nikoliv kosmická katastrofa. Jenže tým Konstantina Batygina z Kalifornského technologického institutu (Caltech) spočítal, že tyto drobné otřesy stačí k tomu, aby destabilizovaly celou vnější sluneční soustavu. V simulacích, které vědci zveřejnili v časopise The Astrophysical Journal Letters, přišel Saturn o oběžnou dráhu a odletěl do mezihvězdného prostoru, Uran s Neptunem si vyměnily pořadí a dráhy planet se začaly křížit.

Výsledek přepisuje jeden z nejstarších výpočtů astronomie. Vnější planety podle něj nevydrží trilion let, ale jen zhruba miliardu let poté, co se Slunce promění v bílého trpaslíka.

Otázka, zda je sluneční soustava stabilní, stojí u samotného zrodu nebeské mechaniky. Isaac Newton o tom pochyboval. Tušil, že se Jupiter a Saturn navzájem gravitačně ovlivňují natolik, že planetární řád jednou bez zásahu shůry rozvrátí. O sto let později Pierre-Simon Laplace a Joseph-Louis Lagrange spočítali, že se dráhy planet jen pravidelně vychylují kolem rovnovážného stavu a jejich velikost se dlouhodobě nemění. Jejich „záchrana“ soustavy se stala učebnicovým příkladem toho, jak dokáže matematika vnést do vesmíru klid.

Moderní počítače tento obraz zpřesnily. U vnitřních planet dnes víme, že Merkur má zhruba jednoprocentní šanci na rozkolísání dráhy ještě předtím, než Slunce opustí svou současnou klidnou fázi. Vnější plynní obři ale působili neotřesitelně. Podle starších výpočtů by Uran mohl kvůli chaotickému posunu ztratit stabilitu až za $10^{18}$ let. To je trilion let, více než sedmdesátmilionkrát déle, než existuje vesmír.

Astronomové proto řešili spíše hrozby zvenčí. Až Slunce ztratí část hmoty, planety se od něj vzdálí zhruba na dvojnásobek a roztažená soustava bude snazším terčem pro cizí hvězdy, které kolem náhodou proletí. Podle odhadu z roku 2020 by takové průlety obří planety vytrhaly ze soustavy za 30 až 100 miliard let. Konsenzus zněl jednoduše: konec je nesmírně daleko a přijde zvenčí.

Celý nový výpočet stojí na jediném pozorování. Evropská sonda Gaia měří polohy a pohyby hvězd s nebývalou přesností a sleduje mimo jiné široké dvojhvězdy, v nichž se jedna složka už proměnila v bílého trpaslíka. Astronomové si všimli, že čerstvě zrozený bílý trpaslík dostane při svém vzniku zpětný ráz – v astronomii označovaný jako kopanec – o rychlosti zhruba 0,75 kilometru za sekundu.

Takový impulz znamená, že hvězda ztrácí hmotu nesouměrně. Nejlepší vysvětlení nabízí představa, že rudý obr neodfukuje svou obálku rovnoměrně, ale v jednotlivých oblacích, které vystřelují náhodnými směry. Každý výron hvězdu drobně odstrčí na opačnou stranu a tisíce takových postrčení se sečtou do naměřené rychlosti.

Batygin, Jim Fuller z Caltechu a Fred Adams z Michiganské univerzity tuto myšlenku dotáhli do konce. Pokud každý výron odnese asi desetitisícinu hmotnosti Slunce, což odpovídá přibližně 33 Zemím, musí jich být kolem 4 600. A každý z nich posune Slunce vůči planetám.

Planety tak obíhají kolem hvězdy, která pod nimi tisíckrát nečekaně poskočí. Představte si kolotoč, kterým někdo nepravidelně cuká do stran. Jedno trhnutí nic neudělá. Tisíce impulzů v náhodných směrech ale dráhy postupně rozhoupají, protože se jejich účinky nevyruší, nýbrž sčítají. Fyzici tomu říkají náhodná procházka.

Tým nejdříve ověřil tradiční předpoklad. Když Slunce ztrácí hmotu plynule, vychází přesně to, co tvrdily učebnice: dráhy všech čtyř obrů se zvětší asi 1,85krát, poměry jejich oběžných dob zůstanou zachované a soustava je jen zvětšenou kopií té dnešní. Stabilní na miliardy let.

Pak ale vědci do výpočtů zapojili náhodné výrony. Spustili stovky simulací, jen v základní sérii 672, a nejpodrobněji rozebrali 48 z nich s nejrealističtějším modelem úbytku hmoty. Ve 37 ze 48 případů, tedy v 77 %, se dráhy planet začaly křížit ještě dříve, než Slunce dokončilo odhazování obálky. V nejrychlejším scénáři k tomu došlo ve chvíli, kdy hvězda přišla zhruba o desetinu hmoty.

V okamžiku, kdy se ze Slunce stane bílý trpaslík, je už ve 40 % simulací vnější soustava v troskách nebo zcela rozkolísaná. Výstřednost dráhy Neptunu vyskočí až na 0,5, takže se z téměř kruhové trajektorie stane výrazně protáhlá elipsa. A do tří miliard let po vzniku bílého trpaslíka se soustava rozpadne zhruba v 90 % scénářů.

Podstatné je, odkud hrozba přichází. Nejde o cizí hvězdu, která se kolem prožene. Soustavu rozvrátí její vlastní Slunce, a to zhruba stokrát rychleji, než by trvalo čekání na první ničivý průlet. Autoři si ve studii neodpustili poznámku, že Newtonova představa nestability nakonec platí. Newton jen hledal viníka jinde – u Jupiteru a Saturnu, a nikoliv u umírajícího Slunce.

Každý model má ale své limity, bez jejichž uvedení by článek nebyl poctivý. Studie vychází z předpokladu, v němž je velikost jednotlivých výronů odhadnutá podle naměřených zpětných rázů bílých trpaslíků. Kdyby byly výrony menší a četnější, účinek by slábl. Při zhruba třistakrát menších dávkách uvolněné hmoty se v simulacích rozpadla nejvýše 2 % soustav. Autoři to neskrývají: celé jejich tvrzení stojí na tom, jak „hrubozrnně“ hvězda umírá. Stále jde o výpočty a simulace, nikoliv o přímé pozorování.

Především se ale celé drama odehraje v horizontu, který si člověk jen těžko dokáže představit. Slunci zbývá v klidné fázi zhruba pět miliard let a Země do té doby podle běžných modelů skončí v útrobách rozpínajícího se rudého obra, jak připomíná server Euronews. Pro nás je osud Saturnu stejně akademickou otázkou jako to, kdo bude za pět miliard let platit nájem v Praze.

Mě na studii nejvíce zaujal samotný skok v číslech. Tři sta let jsme měli za to, že stabilitu soustavy umíme spočítat, a stačilo jedno nové měření ze sondy Gaia, aby se odhad zkrátil z trilionu let na miliardu. Když jsem procházel původní práci, napadlo mě, že přesně takto vypadá většina dobrých objevů: výpočty byly v pořádku, jen stály na předpokladu, který nikdo pořádně neověřil. Že hvězda umírá plynule, považoval každý za samozřejmost.

Studie má jeden přesah, který se týká přítomnosti. Mikročočkové přehlídky, tedy pozorování, při nichž gravitace neviditelného tělesa krátce zesílí světlo vzdálené hvězdy, naznačují, že Galaxií volně putuje obrovské množství planet bez mateřské hvězdy. Možná jich je dokonce srovnatelný počet jako samotných hvězd.

Odkud se berou? Umírající hvězdy jsou podle autorů pravděpodobným zdrojem. Tímto způsobem končí asi 97 % hvězd, a pokud se jejich planetární soustavy rozpadají podobně jako ta naše, chrlí do vesmíru bludné planety ve velkém. K podobnému závěru došla i nezávislá práce Alexandra Stephana a Keivana Stassuna: zpětné rázy při vzniku bílých trpaslíků podle ní destabilizují nejméně 40 % známých soustav s více planetami na vzdálených drahách.

O tom, jak planety před 4,5 miliardy let vznikaly, jsem psal nedávno v článku o železných meteoritech. Nová studie dopisuje závěrečnou kapitolu stejného příběhu.

Pátrat po bludných planetách bude brzy nový vesmírný dalekohled Nancy Grace Romanové. Pokud najde zvláštní skupinu ohřátých osamělých planet, které se ještě miliony let drží poblíž své bývalé hvězdy, půjde o stopu právě tohoto mechanismu. Saturn se možná v daleké budoucnosti zařadí mezi ně. A za mnoho miliard let si nad ním bude lámat hlavu astronom z úplně jiné soustavy, který nebude tušit, že ten osamělý obr kdysi obíhal kolem obyčejné žluté hvězdy.

P.S.

Až se příště podíváte na Saturn v dalekohledu nebo jen na fotce, vzpomeňte si, že ho jednou může vykopnout z domova vlastní Slunce, jen ne dříve než za pár miliard let. Takové příběhy dohledávám přímo v původních studiích, abych vám nemusel převyprávět cizí titulky. Pokud chcete, abych v tom pokračoval, budu rád za jakoukoliv podporu.