太阳系将怎么走向它的终幕？

liukang20242个月前 (04-24)红领巾吃瓜497

咱们的太阳系正在渐渐地走向衰亡。在接下来的几十亿年里，将产生一系列不幸的工作，从细小的改动到真实的凄惨剧。之后，咱们的太阳系将会消灭：一切的行星都将消失不见，太阳将变成一颗孑立的白矮星。

(让我先哭一瞬间）

笔者将引导咱们一步步了解太阳系的未来。由于地球是咱们的家乡，因而笔者将介绍一个影响地球生命的要害工作。以下是典型性的未来：

1.地球的海洋将欢腾。

2.岩质行星的轨迹或许会变得不安稳，导致行星之间产生磕碰。

3.太阳将变成红巨星，吞噬岩质行星。

4.偶然通过的恒星会引发剩下行星之间的不安稳运动。

5.偶然通过的恒星会带走终究一颗行星。

除了第2个工作产生的概率相对较小之外，这些工作简直都会产生。可是，这些工作终究完结需求大约 1000 亿年的时刻。

让咱们开端吧。

地球上液态水（和生命）的完结

太阳正在缓慢地升温。它现在的亮度比刚刚构成时进步了约30%。当太阳内核中的氢转化为氦时，其均匀分子量会添加，然后进步内核的温度和核聚变反响的速率，这使得太阳的能量输出缓慢添加。

太阳的演化：赤色曲线代表太阳亮度

来历：维基共享资源

人类所知的生命形状都需求液态水。为了在行星外表坚持液态水，流入的能量和流出的能量之间有必要坚持平衡，以坚持恰当的温度规模。

能量平衡一直在自我调理，假如地球大气中的温室气体含量添加（正如当下），气体的温室效应就会产生新的能量平衡，而这会使地表温度升高。

地球有一个内置的恒温器：碳酸盐-硅酸盐循环，它能够调理大气中的二氧化碳含量，然后坚持安稳的气候。不幸的是，它的效果时刻大约为一百万年，这对人类来说速度太慢，无法协助咱们处理现在的全球变暖问题。

热毯：温室效应使咱们的大气层像一个毯子，缓慢削减流向太空的热量，温室气体越多，毯子越厚

来历：Time Scavengers

行星升温的另一种方法是添加输入的能量，太阳亮度的缓慢增强就归于这种状况。尽管地球气候会因时节、大气成分改动（即人为温室气体的改动或火山尘土的改动）和米兰科维奇周期而产生短期改动，但由于太阳亮度的添加，地球外表正在缓慢地升温。

比及某一时刻，地球大气层将无法再坚持安稳的能量平衡，温室效应的升温将进入失控阶段。在失控的温室中，会呈现正反响循环：地球外表变得越来越热，导致更多的水蒸腾到大气中，水作为一种强温室气体，会增强温室效应，然后进一步使地球外表升温。

来历:Sean Raymond

一旦温室效应失控，地球外表的升温将导致海洋完全蒸腾。这会让地球越来越热，直到到达一个新的平衡：炙热的地表和被困在大气中的水共存（此刻的水很或许处于 "超临界 "状况，即液态和气态不分）。地球外表会有更多的水蒸气，但不会有液态的海洋。

另一种考虑方法是 "宜居带"——恒星周围的轨迹区域，在这个区域内，行星只需有恰当的大气层，就能坚持液态水。当行星大气层与恒星的间隔小于宜居带的内边际，行星的大气层会呈现温室效应失控现象。现在，太阳宜居带的内边际约为地球与太阳间隔的95%。

宜居带：太阳宜居带其时的方位，内边际坐落日地间隔的约95%处

图片来历：Mythic Scribes

跟着太阳越来越亮，宜居带的内边际正在缓慢向外移动。咱们很难确认宜居带的内边际终究何时会跳过地球轨迹，但估量大约在 10 亿年之后。

从那时起，地球上就不会再有液态水了。不再有液态水就意味着不再有生命，至少是咱们所知方法的生命。

岩石行星轨迹的紊乱不安稳性

行星的轨迹是紊乱的。从数学意义上讲，这意味着咱们无法猜测它们在悠远未来（大约 1 千万年到 1 亿年之后）的切当方位。

在幻想未来时，很简单幻想出最坏的状况。鉴于岩质行星的轨迹是紊乱的，咱们无法知道它们的未来。咱们是否应该假定它们的轨迹将永久坚持安稳？或许，咱们应该做最坏的计划，假定工作会以某种方法出较大过失？

核算机能够协助咱们找到一个概率性的答案，咱们能够使用代码来模仿行星轨迹，模仿太阳系许多或许的未来。每一次模仿都从行星其时的精密的不同方位开端，然后猜测到未来。咱们对行星方位的了解适当准确，但也存在毫米到米级的不确认性，而这些不确认性会被混沌扩大。

一些模仿发现，假如水星与木星产生 "长时刻共振"，水星的轨迹会极度伸长，或许说偏疼。共振会导致两颗行星的轨迹对齐，在这种状况下，行星的潮汐线——衔接太阳和最挨近方位的直线——开端一同前冲，并在数千年内坚持对齐。这使得水星的轨迹快速地拉长：

图片来历: Greg Laughlin / Nature (2009)

一旦水星的轨迹被拉伸到与金星的轨迹相交，将会产生各种紊乱的磕碰。水星或许由于过于挨近太阳而被吞噬，或是与金星相撞。或许迄今为止看到的最戏剧性（也是最凄惨）的结果是，水星有或许终究打乱其他岩质行星的轨迹，以至于引发地球和火星之间的磕碰，就像你在这张图片中看到的那样：

产生这种状况的或许性有多大？地球真的会在 30 亿年后与火星相撞吗？2009 年进行的迄今为止的研讨标明，水星进入与木星的长时刻共振，并在未来 50 亿年内构成损坏的概率约为 1%。即便水星进入共振，与地球产生磕碰的或许性也很小。水星更有或许直接坠入太阳或与金星相撞。

换句话说，岩质行星的轨迹有99%的或许性会像挂钟相同持续环绕太阳工作，至少在太阳自身开端产生改动之前是这样......

太阳将进化成红巨星，

吞噬内部行星，成为白矮星

大约50亿年后，作为太阳核聚变反响燃料的氢将耗尽，太阳将持续在不断胀大的外壳中熔化氢，这将使太阳胀大成一颗红巨星。

太阳的生命：红巨星比类日恒星温度低，可是由于巨大的体积，它们十分亮堂

图片来历：Unuplusunu / Wikicommons

猎户座亮堂的参宿四便是红巨星的一个很好的比如。在大约5亿年的时刻里，太阳都将是一颗红巨星，它的亮度添加，使宜居带向外移动，将木星和土星涵括在内。在这一阶段，巨行星的大型卫星或许具有在其外表构成液态水的条件。许多卫星的内部都有很多的水，包含一些在冰壳下有液态海洋的卫星（最著名的是木卫二）。太阳系最大的卫星——木卫三的质量约为地球40分之一倍，但一般以为该星球有大约一半是水，即木卫三的水储量大大超越地球。由于按质量核算，咱们的星球每1000个水分子中只需1个是水。在大约 70 亿年后，木卫三将成为一颗海洋卫星。

行星的轨迹会跟着太阳的改动而改动。当太阳变成红巨星时，内行星将被吞噬。远离太阳的行星会跟着太阳质量（构成了太阳风）的削减而扩展到更宽的轨迹上。跟着太阳引力的削弱，行星的轨迹会天然变宽，跟着时刻的添加而扩展开来。

红巨星十分巨大，太阳要胀大约100倍才干成为红巨星，并将延伸到地球现在的轨迹那么远。咱们的星球正处于红巨星半径边际，咱们不知道在此期间地球是会被太阳吞噬，仍是会逃到一个更大的轨迹上。

与此同时，太阳的内核会缩短，直到温度和压力的升高使氦聚变。在这个进程中会有几回亮光，然后太阳就会像 "行星状星云"（与行星无关——这仅仅一个沿用至今的老姓名）相同，"哧"地一声脱去外层，这之后太阳剩下的便是它的内核了。内核是一颗小白矮星，什么也不会做，只会渐渐冷却，直到永久。

图片来历：Sean Raymond

白矮星的质量简直与太阳适当，但只需地球巨细。这使它们具有极强的外表引力，任何比氢或氦重的物质都会在几天到几个月内从它们的大气层中沉降到恒星自身——这在地理学上仅仅一眨眼的功夫。

当咱们调查白矮星时，它们中的很大一部分好像都被 "污染"了：它们的外层不是朴实的氢或氦光谱，而是被岩石（有时是富冰）物质污染了。由于这些岩石物质应该很快就会沉积下去，所以它们是最近才与白矮星产生磕碰的。

白矮星或许遭到来自十分接近的碎片盘物质流的缓慢污染。这些碎片来自小天体，它们在轨迹移动期间被行星的引力弹射。由于白矮星是一个很小的方针，小天体不会撞向恒星，而是被恒星的引力撕裂，旋转成岩石盘，在十分接近白矮星的轨迹上被磨成尘土。

大约 70 亿年后，太阳将变成白矮星。地球要么被红巨星太阳吞没，要么被完全烤熟。在悠远的观测者眼里，仅有能暗示一个淡蓝色的小球从前环绕着这颗白矮星运转的，将是几条共同的光谱线——那是一个早已消亡的行星系溅起的血迹。

一颗通过的恒星

引发行星间的运动不安稳性

没有什么是永久的。

太阳变成白矮星后，它的行星体系会比现在大简直一倍。当然，这不是指行星的数量，而是指幸存行星轨迹的巨细。太阳将失掉约40%的质量，其间大部分将在变成构成白矮星的进程中的美丽行星星云。行星的轨迹将相应地扩大约85%。海王星的轨迹将从30地理单位添加到大约55地理单位，标志着行星的外缘。

自此，到永久应该一往无前吧？行星们将环绕着白矮星运转在近乎圆形的轨迹上，而太阳系紊乱的内部将被吞没。

现在只需一种东西或许危及太阳系：其他恒星。

恒星只需在它们仍是婴儿的时分，才在大部分时刻接近互相。在它们的诞生星团中，恒星经常会相对接近地擦肩而过（详细数量取决于诞生星团的巨细和密度）。有时，恒星擦身而过的间隔十分近，以至于它们的引力会影响到每颗恒星周围的轨迹。例如，一颗通过的恒星会损坏另一颗恒星行星构成星盘最外层的安稳。在某些状况下，一颗擦身而过的恒星乃至会偷走一颗轨迹十分远的行星。

有一种模型以为，柯伊伯带中十分悠远的天体的轨迹是在太阳系前史的前期构成的，其时有一颗恒星间隔太阳只需几百到一千个地理单位的间隔（不过，这是一个有争议的模型），像太阳这样的恒星，在诞生星团中与其他恒星的最近间隔一般都是这样。这次相遇乃至或许是太阳经历过的最近一次相遇，至少从它诞生到变成白矮星这段时刻是这样。

一旦它们诞生的星团散失，恒星一般都会互相远离，这仅仅由于世界真的很大。考虑到太阳邻近恒星的密度以及它们的移动速度，咱们能够核算出一颗恒星在太阳必定间隔内通过的典型时刻。均匀来说，每2千万年左右，太阳周围1万个地理单位内就会有一颗恒星通过；每十亿年，太阳周围 1000 个地理单位内就会有一颗恒星通过；每一千亿年，太阳周围 100 个地理单位内就会有一颗恒星通过。

让笔者来介绍一下Jon Zink，Konstantin Batygin和Fred Adams在2020年进行的一项研讨，这项研讨增进了咱们对太阳系悠远未来的了解。他们对太阳系一万亿年的轨迹演化进行了10次模仿，从现在开端，跟着太阳变成红巨星，再变成白矮星，一直到悠远的未来。世界大爆炸只需 140 亿年的前史，因而Zink及其搭档的模仿时刻大约是现在世界年纪的 70 倍。每个模仿都代表了太阳系或许的未来。在这种状况下，未来的不同首要体现在接近太阳的恒星和行星的掠过上。

只需当一颗恒星在十分近的间隔（最大行星轨迹巨细的三到五倍）内通过期，行星体系才会遭到激烈的影响。海王星坐落 30 个地理单位的方位，一颗恒星需求在大约 100 个地理单位的规模内通过，才干对现在的太阳系产生激烈影响。可是，海王星在白矮星太阳周围 55 个地理单位的方位，一颗恒星在大约 200 个地理单位的规模内通过，就会对行星（如海王星）产生激烈的影响。即便是在 500 个地理单位的规模内飞过，也会给海王星带来显着的引力。

在Zink和他的搭档的模仿中，大约 300 亿年内，有一颗恒星从几百个地理单位的规模内通过，引发了不安稳运动。这种不安稳性比太阳系前史前期产生的不安稳要激烈得多，由于它将包含木星和土星之间的引力散射。天体物理学家以为，比较于巨行星相对陡峭的轨迹扩展，这个进程更像是巨型系外行星体系中常见的运动学不安稳现象（这经常会炸毁它们的岩石行星）。

这种运动不安稳性将把一切剩下的行星抛射出去，只需一颗在外。行星之间的引力磕碰会给每颗行星（除了一颗）带来满足的轨迹能量，然后被发射到星际空间，成为自在漂浮的行星。在Zink的大多数模仿中，木星是终究一颗耸峙不倒的行星，它将在一个与巨型系外行星相似的拉伸轨迹上存活下来。

从此，太阳系将只由白矮星太阳和木星组成。这从某种视点上来说是建立的，由于假如咱们用现在的技能去邻近的类太阳恒星勘探太阳系，木星仍然是现在仅有能被勘探到的太阳系行星。

一颗恒星的近间隔穿越

带走太阳的终究一颗行星

就像每根绳子都有一个断裂点相同，只需有另一颗恒星接近，任何行星都或许从恒星上剥离。

在这个阶段，木星这颗太阳系中终究一颗耸峙不倒的行星，它将处于一个宽广且被拉伸的轨迹上。

恒星的远间隔飞越会悄悄将木星面向更远的当地，但实际上，近间隔相遇的影响才是最首要的。Zink的模仿需求等候大约1000亿年，才会有一颗恒星在大约200个地理单位的规模内飞过。这颗恒星为木星供给了所需的引力能量，让木星逃离白矮星太阳，再也不会回来。(在Zink的模仿中，终究一颗行星的弹射时刻规模从大约 400 亿年到 3000 多亿年不等）

因而，太阳系生命的终究阶段将会是这样的：

当一切都完毕后，太阳原有的八颗行星中仍有五六颗完好无缺，仅仅不在环绕太阳运转的轨迹上。这些行星将作为自在浮游行星或 "漂泊"行星生计下来（其他两三颗行星将在红巨星阶段被吞噬）。当然，这些行星并不孑立：跟着许多其他恒星的行星消失在星际空间，自在漂浮行星的数量也会不断添加。

这标志着太阳系的完结：一切都完毕了。期望你们喜爱这几十亿年里它的故事。

翻译：刘海牧

校正：木川王茸

审理：牧夫校正组

美编：李鸣晨

后台：胡永葳

https://nautil.us/a-step-by-step-guide-to-our-solar-systems-demise-239245/

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