Sterne sind durch die Schwerkraft an ihre Galaxien gebunden und bewegen sich im Einklang mit ihrer Umgebung. Aber manchmal zerbricht etwas die Bindung. Wenn ein Stern beispielsweise einem supermassereichen Schwarzen Loch zu nahe kommt, kann das Schwarze Loch ihn als außer Kontrolle geratenen Stern in den Weltraum hinausschleudern.
Was würde mit der Erde passieren, wenn einer dieser stellaren Eindringlinge zu nahe käme?
Es ist nicht sehr wahrscheinlich, dass es passiert, aber die Wahrscheinlichkeit ist nicht Null.
Nach mehreren Milliarden Jahren hat sich unser Sonnensystem zu einer sesshaften Vorhersagbarkeit entwickelt. Die Planeten bewegen sich, während sie sich bewegen, und die Sonne sitzt ruhig in der Mitte von allem.
Wenn jedoch ein anderer Stern zu nahe käme, würden die unsichtbaren Gravitationsbindungen, die dafür sorgen, dass alles so bleibt, wie es ist, gedehnt oder gebrochen. Die Erde ist ein winziger Planet, der nur etwa drei Millionstel der Sonnenmasse enthält. Unser Planet existiert nach den Launen der Sonne und ihrer starken Schwerkraft, und wenn ein anderer Stern in unsere Ordnung eindringt, wird die Erde vollständig dem neuen Gravitationsparadigma ausgeliefert sein.
In einem neuen Artikel wird untersucht, was passieren würde, wenn ein außer Kontrolle geratener Stern auf weniger als 100 AE an die Sonne herankäme. Der Titel des Papiers lautet „Zukünftige Flugbahnen des Sonnensystems: Dynamische Simulationen von Sternbegegnungen innerhalb von 100 AE..“ Es erscheint auf dem Pre-Print-Server arXiv und wird in veröffentlicht Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society. Der Hauptautor ist Sean Raymond, ein Astronom am Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux, am CNRS (Nationales Zentrum für wissenschaftliche Forschung) und an der Université de Bordeaux.
Wir wissen, dass die stabile Vorhersagbarkeit in unserem Sonnensystem nicht von Dauer sein wird. Die Sonne wird sich weiterentwickeln und im Laufe der nächsten Milliarde Jahre immer leuchtender werden. Die Erde befindet sich furchtbar nahe am inneren Rand der bewohnbaren Zone. Nur ein wenig näher an der Sonne wird das empfindliche Gleichgewicht gestört, das es flüssigem Wasser ermöglicht, an der Oberfläche zu verbleiben.
Im selben Zeitraum von einer Milliarde Jahren besteht eine Wahrscheinlichkeit von etwa 1 %, dass es zu einer Begegnung mit einem abtrünnigen Stern kommt. Was passiert mit der Erde, wenn das passiert? Wird die Erde aus der bewohnbaren Zone gedrängt?
„Auf der Erde gibt es noch etwa eine Milliarde Jahre lang bewohnbare Oberflächenbedingungen“, schreiben die Autoren. Das ist ein geschlossenes System, das zum größten Teil auch unser Sonnensystem ist. „Während die Umlaufbahnentwicklung der Planeten größtenteils durch säkulare und resonante Störungen bestimmt wird“, erklären die Autoren, „können vorbeiziehende Sterne einen konsequenten Einfluss auf die Umlaufbahnen der Planeten haben.“
Kommt ein vorbeiziehender Stern näher, ist unser Sonnensystem kein geschlossenes System mehr.
Die meisten abtrünnigen Sterne, auch intergalaktische Sterne oder Hypergeschwindigkeitssterne genannt, weil ihre Flugbahn sie aus der Milchstraße herausführt, kommen nicht einmal in die Nähe der Erde. Kappa Cassiopeiae zum Beispiel ist 4.000 Lichtjahre entfernt und wird sich niemals nähern. Andere, wie die 675 Schurkensterne, die Astronomen der Vanderbilt University im Jahr 2012 entdeckten, wurden ausgestoßen, nachdem sie sich mit dem supermassereichen Schwarzen Loch der Milchstraße verheddert hatten, und ihre Flugbahnen führten sie nirgendwo in die Nähe der Erde.
Selbst in der Milchstraße ist der Weltraum größtenteils leer und die meisten Sternvorbeiflüge werden sich niemals einem anderen Sonnensystem nähern. „Statistisch gesehen finden Vorbeiflüge in einer Entfernung von weniger als 100 AE, die die Umlaufbahnen der Planeten stark beeinflussen würden, in der aktuellen galaktischen Nachbarschaft nur etwa einmal pro 100 Gyr statt“, erklären die Forscher.
Obwohl die Chancen gering sind, ist es eine Möglichkeit. Wenn man die Galaxie als Ganzes betrachtet, ist es fast sicher, dass ein Stern, der irgendwann irgendwo in der Galaxie vorbeifliegt, bis auf 100 AE an einen anderen Stern herankommt. Wenn dieser Stern unsere Sonne ist, was passiert dann mit der Erde?
Das Team führte N-Körper-Simulationen durch, um die möglichen Folgen für die Erde zu ermitteln. Sie begannen mit den acht Planeten des Sonnensystems und fügten einen einzelnen Schurkenstern hinzu. Sie ordneten die Massen der simulierten Fremdsterne den Massen der Sterne in unserer Sternumgebung zu. Sie passten auch die Geschwindigkeiten der Schurkensterne an die Umgebung an. Sie simulierten verschiedene Geschwindigkeiten und Flugbahnen für den Stern, um zu sehen, wie die Bandbreite der Ergebnisse für die Erde aussieht. Insgesamt führten die Forscher 12.000 Simulationen durch.
„Wenn ein Stern innerhalb von 100 AE an der Sonne vorbeizieht, besteht immer noch eine sehr hohe Chance, dass alle acht Planeten des Sonnensystems überleben“, schreiben die Autoren. Die Wahrscheinlichkeit, dass kein Planet verloren geht, liegt bei über 95 %.
Das Drehimpulsdefizit (AMD) infolge des Vorbeiflugs bestimmt maßgeblich, was als nächstes passiert. AMD ist ein Maß für die Bahnanregung eines Planetensystems und seine Langzeitstabilität. Laut dieser Definition ist es der Unterschied zwischen einem „idealisierten System mit denselben Planeten des realen Systems, die auf denselben großen Halbachsen um den Stern auf kreisförmigen und planaren Bahnen kreisen, und der Norm des Drehimpulses des realen Planetensystems“.
Doch wie sieht es aus, wenn einer der Planeten unseres Sonnensystems verloren geht?
Die Simulation führte zu unterschiedlichen Ergebnissen. Merkur ist am anfälligsten und geht manchmal verloren, wenn er mit der Sonne kollidiert. Weitere Ergebnisse sind die Kollision der Erde mit der Venus, der Auswurf der Eisriesen Uranus und Neptun, das Überleben nur der Erde und des Jupiters oder nur das Überleben des Jupiters. Bei einem apokalyptischen Ausgang werden alle acht Planeten herausgeschleudert.
Andere Ergebnisse sind weniger dramatisch. Alle acht Planeten sind ungestört, alle acht sind leicht gestört oder alle acht sind stark gestört.
Obwohl in den meisten Simulationen alle acht Planeten überleben, kann Überleben unterschiedliche Bedeutungen haben. Obwohl sie im Sonnensystem bleiben und gravitativ an die Sonne gebunden sind, können ihre Umlaufbahnen stark gestört werden. Einige können sogar weit hinaus in die Oort-Wolke geschoben werden.
Die Forscher haben auch die zehn wahrscheinlichsten Folgen einer Planetenzerstörung tabellarisch aufgeführt. „Wir haben die häufigsten Wege ermittelt, auf denen Planeten verloren gehen können, und dabei berücksichtigt, dass die Wahrscheinlichkeit, dass kein Planet verloren geht, größer oder gleich 95 % ist, wenn ein Stern innerhalb von 100 AE vorbeizieht“, schreiben sie.
Wenn es um ausgestoßene Planeten geht, haben Uranus und Neptun die schlechtesten Chancen. Das ist nicht verwunderlich, da sie am weitesten von der Sonne entfernt und gravitativ am schwächsten an sie gebunden sind. Es ist auch nicht verwunderlich, dass Merkur die höchste Wahrscheinlichkeit hat, mit der Sonne zu kollidieren. Da er der masseärmste Planet ist, besteht für ihn ein größeres Risiko einer Störung aufgrund eines Sternvorbeiflugs.
Wenn es um die Erde geht, gibt es eine Vielzahl möglicher Ergebnisse. In der obigen Liste beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass die Erde mit einem anderen Planeten kollidiert, 0,48 %. Aber ein anderes mögliches Schicksal erwartet die Erde, und es ist nicht angenehm, darüber nachzudenken: die Verbannung in die Oortsche Wolke.
„Das langfristige Überleben der Erde in der Oortschen Wolke ist nicht garantiert“, sagten die Autoren trocken.
Ein weiteres exotisches Ergebnis der Simulationen ist eine Überlegung wert: die Gefangennahme der Erde durch den vorbeiziehenden Stern. Diese Simulation zeigte einen Stern, der etwas weniger Masse als die Sonne hatte und sich mit relativ geringer Geschwindigkeit unserem Sonnensystem näherte. Das Ergebnis war eine verheerende Vernichtung des Sonnensystems, wie wir es kennen. Die Erde verließ die Sonne und rannte mit dem Stern davon, während sechs der anderen Planeten in die Sonne stürzten. Der einzige überlebende Planet war Jupiter. Kein Wunder, denn es handelt sich um den massereichsten Planeten.
Das Papier stellt eine breite Palette von Ergebnissen vor, darunter den Aufprall des Mondes auf die Erde, die Erfassung sowohl der Erde als auch des Mondes durch den vorbeiziehenden Stern und sogar die Zerstörung aller Planeten und ihrer Monde. Aber die Wahrscheinlichkeit, dass so etwas passiert, ist äußerst gering.
Aber wie wahrscheinlich ist es, dass die Erde bei einer solchen Begegnung bewohnbar bleibt? Ändert sich die Umlaufbahn der Erde, wird es auf dem Planeten dadurch wärmer oder kühler.
Es gibt noch mehr mögliche Schicksale. Die Erde könnte als Schurkenplanet etwa eine Million Jahre überleben, bis die Oberfläche zufriert. Oder vielleicht wäre es, wenn es tatsächlich von dem Schurkenstern gefangen genommen würde, in einer neuen Anordnung irgendwie bewohnbar.
Letztlich ist die Wahrscheinlichkeit eines 100-Au-Sternvorbeiflugs verschwindend gering. Und die Simulationen zeigen, dass, wenn es tatsächlich passieren sollte, das mit Abstand wahrscheinlichste Ergebnis darin besteht, dass alle acht Planeten überleben, wenn auch auf Umlaufbahnen, die sich geringfügig von denen unterscheiden, denen sie jetzt folgen.
„Trotz der Vielfalt möglicher Evolutionswege ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich die aktuelle Situation unseres Sonnensystems nicht ändern wird“, schlussfolgern die Autoren.
Mehr Informationen:
Sean N. Raymond et al., Zukünftige Trajektorien des Sonnensystems: dynamische Simulationen von Sternbegegnungen innerhalb von 100 AE, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2311.12171