Солнце не будет светить вечно. Примерно через миллиард лет звезда начнёт заметно меняться по мере исчерпания водорода в её ядре. В дальнейшем Солнце превратится в красного гиганта, а условия во внутренней части Солнечной системы станут несовместимыми с существованием современной земной биосферы.
В конечном итоге Солнце сбросит внешние слои и останется в виде белого карлика — компактного и гораздо более тусклого звёздного остатка. Земля к этому времени может быть уничтожена или полностью лишиться привычной атмосферы и океанов.
Но что произойдёт, если цивилизация к тому времени всё ещё будет существовать?
Новое теоретическое исследование рассматривает необычный вариант: не покидать Солнечную систему, а превратить её в своеобразную искусственную среду обитания. Предложенный сценарий предполагает использование гигантских космических конструкций, добычу вещества на планетах и астероидах, управляемое изменение орбиты Земли, искусственные источники энергии и даже поддержание геологической активности планеты.
Это не готовый проект и не технология, которую можно построить сегодня. Речь идёт о долгосрочной теоретической концепции, призванной показать, какие физические проблемы пришлось бы решать цивилизации, желающей сохранить Землю пригодной для жизни после эволюции Солнца.
Солнце действительно станет красным гигантом
Главная предпосылка сценария связана с нормальной эволюцией звёзд.
Сейчас Солнце находится примерно в середине периода, когда в его ядре происходит превращение водорода в гелий. Именно этот процесс обеспечивает выделение энергии, благодаря которой Солнце излучает свет и тепло.
Запасы водорода в центральной области звезды не бесконечны. По мере их изменения структура Солнца будет постепенно перестраиваться.
Примерно через миллиард лет, согласно рассматриваемому сценарию, последствия эволюции Солнца уже начнут серьёзно влиять на Землю. В дальнейшем звезда значительно расширится и станет красным гигантом.
Температурные условия на Земле изменятся задолго до того, как Солнце достигнет максимальных размеров. Океаны и атмосфера планеты будут утрачены, а поверхность станет крайне негостеприимной для жизни.
На поздних стадиях расширения Солнце может полностью поглотить Землю. Точная судьба нашей планеты зависит от сложного взаимодействия между расширением Солнца и изменением орбиты Земли.
После завершения стадии красного гиганта Солнце не превратится в сверхновую. У него недостаточно массы для такого финала. Внешние слои будут сброшены, а центральная часть звезды станет белым карликом.
Главная проблема — Солнце станет слишком большим и горячим
Для гипотетической цивилизации будущего недостаточно просто создать искусственный источник света.
Сначала необходимо решить проблему самой звезды.
Когда Солнце станет красным гигантом, Земля окажется в совершенно иных условиях. Поэтому в предложенной концепции используется гигантский экран, который должен частично или полностью закрывать Солнце.
Авторы рассматривают размещение такого экрана около точки Лагранжа L1 — области пространства на линии между Землёй и Солнцем, где гравитационное взаимодействие двух тел позволяет поддерживать определённую конфигурацию объекта относительно них.
Однако обычного небольшого экрана было бы недостаточно.
Из-за огромных размеров красного гиганта конструкция должна иметь колоссальные размеры.
Почему экран предлагается разместить ближе к Земле
Есть важная геометрическая особенность.
Чем ближе экран находится к Земле, тем меньше его физический размер требуется для закрытия Солнца на земном небе.
Поэтому в исследовании рассматривается необычная конструкция: экран располагается значительно ближе к Земле, чем классическая точка L1, практически за пределами лунной орбиты, а его положение удерживается с помощью длинного троса и дополнительной массы.
Для такой конструкции потребовалось бы огромное количество материала.
В предложенной оценке рассматривается добыча около 40% вещества карликовой планеты Цереры для изготовления углеродного троса длиной около 2 миллионов километров.
Сам экран должен иметь радиус около 350 тысяч километров. Для него предлагается использовать примерно 0,01% массы Луны.
Это масштабы, совершенно недостижимые для современной космонавтики.
Церера становится источником строительного материала
Церера находится в главном поясе астероидов между орбитами Марса и Юпитера.
Это крупнейший объект главного пояса и карликовая планета.
В рассматриваемой концепции Церера выступает не как место будущего поселения, а как источник сырья.
Идея космической добычи полезных ископаемых сама по себе не противоречит известным законам физики. Однако переработать значительную долю Цереры и превратить её вещество в гигантскую инженерную конструкцию — задача совершенно другого масштаба.
Современные технологии пока не позволяют добывать даже небольшие промышленные объёмы вещества на астероидах, не говоря уже о десятках процентов массы карликовой планеты.
Закрыть Солнце недостаточно — Земле понадобится новый источник энергии
Если искусственный экран действительно блокирует солнечный свет, возникает следующая проблема.
Земля лишается главного источника энергии.
Поэтому автор рассматривает возможность использования гигантских планет Солнечной системы как источника термоядерного топлива.
Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун состоят преимущественно из водорода и гелия. В предложенном сценарии именно газовые гиганты должны обеспечить цивилизацию сырьём для искусственного производства энергии.
Наиболее подробно рассматривается Юпитер.
Реакторы предлагается разместить внутри атмосферы Юпитера
Юпитер обладает огромной массой и мощной атмосферой.
По замыслу автора, термоядерные реакторы можно было бы разместить примерно на глубине 6500 километров в атмосфере Юпитера.
Они должны использовать водород и гелий-4 в качестве топлива.
Глубокая атмосфера Юпитера при этом рассматривается как естественная среда, обеспечивающая высокое давление.
Это связано с одной из фундаментальных проблем управляемого термоядерного синтеза: чтобы лёгкие атомные ядра сливались и выделяли энергию, необходимо создать экстремальные условия температуры и плотности.
Сегодня человечество пытается решить эту задачу с помощью сложнейших установок и магнитных или инерциальных методов удержания плазмы.
В рассматриваемом сценарии часть проблемы предлагается переложить на саму планету-гигант.
Энергию можно было бы передавать Земле
Производимая в атмосфере Юпитера энергия, согласно предложению, должна передаваться в космос.
Для этого автор рассматривает лазерную систему.
Энергия сначала передавалась бы на инфраструктуру в районе точки Лагранжа, а затем направлялась на Землю.
В одном из вариантов речь идёт о лазере диаметром около 15 километров.
Такой источник должен был бы заменить солнечный свет, который блокируется искусственным экраном.
Разумеется, подобная система значительно превосходит возможности современной энергетики и космической инфраструктуры.
Следующая проблема — Землю нужно отодвинуть от Солнца
Даже если полностью заменить солнечный свет искусственным, Земля всё равно будет находиться слишком близко к красному гиганту.
Поэтому планета должна постепенно перейти на более далёкую орбиту.
Это одна из наиболее необычных частей предложенного сценария.
Автор рассматривает использование гравитационных манёвров — изменения скорости и орбиты небесного тела за счёт его гравитационного взаимодействия с другим объектом.
Такие манёвры уже используются в реальной космонавтике.
Межпланетные аппараты регулярно пролетают рядом с планетами, чтобы изменить свою скорость относительно Солнца и получить возможность достичь других объектов с меньшими затратами топлива.
Но в данном случае речь идёт не о небольшом космическом аппарате.
Переместить орбиту Земли — задача несравнимо более масштабная.
Вариант с астероидом оказался слишком опасным
Один из очевидных способов изменить орбиту Земли — многократно направлять рядом с ней массивный астероид.
При каждом близком пролёте гравитационное взаимодействие немного изменяло бы орбиту Земли.
Если повторять этот процесс огромное количество раз, суммарный эффект мог бы постепенно увеличить расстояние планеты от Солнца.
Но здесь возникает чрезвычайно серьёзная проблема безопасности.
Массивный астероид, проходящий близко к Земле, представляет непосредственную угрозу.
Ошибка в расчётах, изменение траектории или непредвиденное гравитационное возмущение могли бы привести к катастрофическому столкновению.
Поэтому в исследовании рассматривается другой вариант.
Вместо астероида — поток частиц
Автор предлагает добывать кислород из атмосферы Юпитера и направлять его небольшими порциями мимо Земли.
Каждая частица должна проходить рядом с планетой и передавать ей небольшой импульс через гравитационное взаимодействие.
При постоянном повторении эффект накапливался бы.
Для достижения требуемого результата понадобился бы колоссальный поток вещества.
В оценке исследования его суммарная масса сопоставляется примерно с половиной расхода воды в Амазонке.
То есть даже этот более безопасный по сравнению с астероидом вариант предполагает управление огромным количеством вещества.
Что произойдёт, если часть потока попадёт на Землю
Автор отдельно рассматривает вопрос безопасности.
В качестве рабочего вещества предлагается кислород, который сам по себе не является токсичным или радиоактивным материалом.
При попадании небольших частиц в атмосферу энергия распределялась бы по большой площади.
В исследовании утверждается, что при определённых параметрах случайное попадание такого потока на Землю было бы сопоставимо по кинетическому воздействию с грозовым процессом.
Это, однако, относится к расчётам конкретного теоретического сценария, а не к проверенной на практике технологии.
Но одной орбиты недостаточно — Земля должна сохранить геологическую активность
Даже после решения проблем с солнечным светом и орбитой остаётся ещё одна фундаментальная задача.
Внутреннее тепло Земли постепенно уменьшается.
В очень далёком будущем тектоническая активность планеты будет ослабевать.
Для жизни это имеет серьёзное значение.
Тектоника плит связана с формированием гор, переработкой земной коры и долгосрочным круговоротом веществ между поверхностью и недрами планеты.
Если геологическая активность полностью прекратится, исчезнут многие процессы, которые сегодня поддерживают стабильность земной среды в течение геологических эпох.
Для поддержания тектоники предлагается нагревать ядро
В исследовании рассматривается ещё более необычная идея.
Автор предлагает искусственно доставлять энергию в глубины Земли.
Для этого предлагается использовать антиматерию.
Согласно сценарию, в земной коре можно было бы создать отверстие и направить вниз контейнер с антиматерией вместе с расплавленным железом.
Предполагается, что железо будет постепенно погружаться к ядру Земли.
Через некоторое время контейнер должен был бы высвободить антиматерию, которая при контакте с обычным веществом аннигилирует и выделит большое количество энергии.
Эта энергия должна нагревать внутренние области планеты.
Антиматерия уже существует, но получить её в нужном количестве невозможно
Антиматерия не является вымышленным веществом.
Отдельные античастицы регулярно создаются в физических экспериментах. Их свойства хорошо изучены.
Проблема заключается в количестве.
Производство антиматерии чрезвычайно энергозатратно, а хранение больших её объёмов представляет огромную техническую сложность.
В рассматриваемой концепции предлагается производить около 2 килограммов антиматерии в сутки.
Даже по современным представлениям это совершенно невероятный промышленный масштаб.
Поэтому речь идёт о физически описываемом механизме выделения энергии, а не о существующей инженерной возможности.
В будущем Солнечной системе придётся учитывать не только Солнце
Даже если представить, что цивилизация смогла решить все проблемы, связанные с Солнцем, Землёй и энергетикой, остаётся ещё одна угроза.
Солнечная система движется внутри Млечного Пути.
Другие звёзды также перемещаются, а сама Галактика не является статичной структурой.
В далёком будущем особенно важным событием станет сближение Млечного Пути с галактикой Андромеды.
Ожидается, что их взаимодействие начнётся примерно через 4,5 миллиарда лет.
Это не означает, что Млечный Путь и Андромеда просто столкнутся как два твёрдых объекта. Расстояния между отдельными звёздами настолько велики, что непосредственные столкновения звёзд крайне маловероятны.
Однако гравитационное взаимодействие изменит структуру обеих галактик.
Автор предлагает перемещать Солнечную систему
Для защиты от потенциально опасных сближений с крупными объектами автор рассматривает ещё один вариант гравитационного маневрирования.
Существующую инфраструктуру около Юпитера можно было бы использовать для запуска потоков водорода рядом с Солнцем.
Поток должен проходить около северного или южного полюса звезды.
За счёт гравитационного взаимодействия это постепенно меняло бы движение Солнца и всей связанной с ним планетной системы.
Таким образом, речь идёт уже не о перемещении Земли, а о постепенном изменении положения всей Солнечной системы в Галактике.
Вся концепция рассчитана на невероятно долгие сроки
Главная особенность предложенного сценария — его временной масштаб.
Даже если цивилизация сможет создать необходимые технологии, поддерживать их придётся на протяжении колоссального периода.
В исследовании утверждается, что предложенная система потенциально могла бы сохранять пригодность Земли для жизни на протяжении примерно 9,1 квадриллиона лет.
Для сравнения: возраст Вселенной оценивается примерно в 13,8 миллиарда лет.
Это означает, что рассматриваемый период во много раз превышает нынешний возраст Вселенной.
Но и Солнце не будет главным источником света всё это время
После превращения Солнца в белый карлик оно постепенно будет остывать.
Светимость звезды будет становиться всё меньше.
В конечном итоге окружающая Солнечная система окажется в совершенно иной энергетической среде.
Именно поэтому предложенный сценарий предполагает полную замену естественного солнечного света искусственной энергией.
Согласно расчётам автора, газовые гиганты содержат достаточно материала, чтобы потенциально обеспечить искусственное освещение Земли на чрезвычайно долгий срок.
Это оценка энергетического потенциала, а не прогноз того, что подобная система обязательно будет построена.
Почему автор предлагает вообще не покидать Солнечную систему
Возникает очевидный вопрос: если цивилизация научится добывать ресурсы в масштабах планет и управлять орбитами небесных тел, почему бы просто не отправиться к другой звезде?
В исследовании приводится несколько аргументов в пользу сохранения Земли.
Первый связан с технической сложностью межзвёздных перелётов.
Даже при наличии чрезвычайно развитых технологий доставка больших масс вещества и людей на расстояния между звёздами остаётся фундаментально сложной задачей.
Второй аргумент — энергетический.
Автор оценивает предложенные защитные системы как значительно менее энергоёмкие, чем полноценная миграция цивилизации между звёздными системами.
Третий связан с инфраструктурой.
Для заселения другой планеты потребовалась бы предварительная подготовка, а необходимые устройства могли бы работать в течение очень долгого времени до появления экономической отдачи.
Космическая добыча ресурсов, напротив, могла бы использоваться ещё до возникновения непосредственной угрозы со стороны эволюции Солнца.
Автор рассматривает не только физические и инженерные вопросы.
По его мнению, расселение цивилизации по множеству звёздных систем могло бы со временем привести к появлению независимых обществ, которые значительно разошлись бы в развитии и культуре.
Оставшись в одной системе, цивилизация сохраняла бы более тесную связь между различными группами населения.
Это уже не астрономический факт и не установленный результат физического эксперимента, а аргумент в пользу конкретного сценария будущего.
Что произойдёт с Землёй на самом деле?
Современная наука не позволяет утверждать, что Земля будет сохранена каким-либо из описанных способов.
Предложенный сценарий представляет собой теоретическое исследование того, какие физические механизмы в принципе можно было бы использовать.
Сегодня человечество не располагает ни материалами, ни энергетикой, ни промышленной инфраструктурой, необходимыми для реализации такого проекта.
Мы пока не умеем промышленно добывать значительные объёмы вещества на астероидах, строить конструкции планетарного масштаба, управлять орбитой Земли или производить килограммы антиматерии ежедневно.
Поэтому наиболее ценной частью работы является не практический план строительства, а анализ ограничений, с которыми столкнулась бы очень далёкая цивилизация.
Будущее Солнца известно гораздо лучше, чем способы его пережить
Эволюция Солнца — хорошо изученная область астрофизики.
Учёные уверенно понимают основные стадии, через которые проходит звезда солнечной массы: постепенное изменение внутреннего строения, расширение до красного гиганта, сброс внешних слоёв и превращение остатка в белый карлик.
А вот вопрос о том, сможет ли разумная жизнь пережить эти события, остаётся полностью гипотетическим.
Исследование предлагает рассматривать проблему не как неизбежную гибель Земли, а как инженерную задачу.
Нужно одновременно решить несколько независимых проблем: защитить планету от красного гиганта, обеспечить её энергией, изменить орбиту, сохранить геологическую активность и защитить Солнечную систему от будущих гравитационных угроз.
Самое необычное в концепции — попытка сохранить именно Землю
Большинство сценариев далёкого будущего предполагает, что разумная жизнь покинет родную планету и перейдёт к существованию в космосе или других звёздных системах.
Рассматриваемая работа предлагает обратную стратегию.
Не адаптировать жизнь к новому миру, а адаптировать окружающую космическую среду к сохранению Земли.
Для этого предлагается использовать практически всё доступное пространство Солнечной системы как единую инженерную систему.
Церера становится источником материалов, Юпитер — источником топлива и энергии, гравитация планет используется для управления движением, а сама Земля превращается в объект долгосрочного космического проектирования.
Это исследование показывает масштаб будущих задач
Даже если отдельные элементы концепции никогда не будут реализованы, подобные расчёты позволяют оценить масштабы физических ресурсов Солнечной системы.
Главный вывод состоит в том, что эволюция Солнца не обязательно означает мгновенный конец всей жизни во всей Солнечной системе.
У цивилизации, которая существовала бы миллиарды лет и обладала технологиями, совершенно недоступными современному человечеству, теоретически существовали бы способы значительно изменить условия окружающей среды.
Но между физической возможностью процесса и практической реализуемостью лежит огромная пропасть.
Создать экран размером с планету, добыть значительную часть Цереры, управлять орбитой Земли, получать термоядерную энергию в атмосфере Юпитера и производить килограммы антиматерии ежедневно — это задачи, для которых сегодня даже не существует соответствующей промышленной базы.
Поэтому предложенный сценарий следует воспринимать прежде всего как исследование пределов возможного.
Когда Солнце погаснет, Солнечная система не исчезнет сразу
После стадии красного гиганта Солнце станет белым карликом. Планеты, которые переживут предыдущую стадию, продолжат обращаться вокруг звёздного остатка.
Солнечная система будет существовать и после того, как нынешний этап жизни Солнца закончится.
Вопрос лишь в том, сможет ли какая-либо форма жизни приспособиться к новым условиям.
Предложенная концепция показывает один из возможных вариантов: если разумная цивилизация когда-нибудь достигнет колоссального уровня технологического развития, она сможет попытаться превратить Солнечную систему в искусственно поддерживаемую среду обитания.
Но это не прогноз ближайшего будущего и не доказательство того, что человечество сможет пережить гибель Солнца.
Это расчётный сценарий для времён, настолько далёких, что он позволяет по-новому взглянуть на саму идею обитаемости планеты: пригодность Земли для жизни в принципе может зависеть не только от природы, но и от способности будущей цивилизации управлять энергией, веществом и движением целых небесных тел.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
Это слишком далекий сценарий, так что ученым нужно думать не о событиях в будущем через миллиард лет, а как человечеству колонизировать Солнечную Систему и попытаться выйти за ее границы. ,,Великий фильтр» никто не отменял.