我们太阳系消亡的分步指南

我是斜杠青年，一个热爱自然科学的“杂食性”学者！

我们的太阳系即将离开。慢慢地。在未来数十亿年里，将发生一系列不幸的事件，从不太伟大的事件到真正悲惨的事件。之后，我们的太阳系将消失：所有的行星都将消失，太阳将成为一个孤独的白矮星。

来源：科学共享图库

我将一步一步地指导我们度过太阳系的未来。由于地球是我们的基地，根据科学预测，我将包括一个影响地球上生命的关键事件娓娓道来。以下是即将到来的五个步骤：

1.地球的海洋将沸腾。

2.岩石行星的轨道可能会不稳定，导致行星之间潜在的巨星碰撞。

3.太阳将成为一颗红巨星，吞噬岩石行星。

4.一颗经过的恒星将引发剩余行星之间的动力学不稳定。

5.一颗路过的恒星将剥离最后一颗行星。

除了第2个步骤（概率相对较小）外，每个事件都会发生，几乎可以肯定。但大约需要1000亿年才能走到尽头。

地球上液态水（和生命）的终结

太阳升温得越来越慢。今天，它比它形成后亮了大约30%。当太阳将氢转化为核心氦时，平均分子量增加，从而增加核心的温度，从而提高聚变反应的速度（称为质子-质子链）。这慢慢增加了太阳的能量输出。

来源：科学共享图库

太阳进化：每条曲线都显示了与当前太阳相比的太阳特征之一。红色曲线显示了它的亮度。

我们的生活需要液态水。为了保持行星表面的液态水，必须在进入的能量和保持正确温度范围的能量之间保持平衡。

能量平衡总是在调整自己。如果地球大气中的温室气体数量增加（就像今天你所看到的一样），温室气体的“全面”效应会创造出表面更热的新能源平衡。

地球确实有一个内置的恒温器：碳酸盐-硅酸盐循环，它调节大气中的二氧化碳量，从而保持稳定的气候。不幸的是，对我们人类来说，它在大约一百万年的时间范围内运行，因此帮助我们解决当前的全球变暖问题太慢了。

来源：时间清道夫

热毯：温室效应通过减缓空间的能量损失，基本上让我们的大气像毯子一样流动。更多的温室气体意味着毯子更厚。

行星加热的另一种方式是，如果传入的能量量增加。当太阳的亮度慢慢增加时，这正是正在发生的事情。而且，尽管地球气候因季节、大气成分（包括人造温室气体变化，有时来自火山尘埃）和米兰科维奇周期而变化较短，但由于太阳亮度的增加，地球表面正在缓慢但不可阻挡地升温。

在某个时候，地球大气层将不再能够保持稳定的能量平衡，温室供暖将进入失控阶段。在失控的温室里，有一个积极的反馈循环。行星表面变得更热，导致更多的水蒸发到大气中。水是一种强大的温室气体，因此这增加了温室效应的强度，从而进一步加热地球表面。

来源：肖恩·雷蒙德

一旦温室效应失控，它将使地球表面升温，以至于海洋将完全蒸发。这只会使地球更热，直到达到新的平衡，表面灼热，所有水都被困在大气中（可能处于“超临界”状态，这意味着液体和气体之间没有区别）。地球表面附近会有更多的水蒸气，但没有液态海洋。

另一种思考方式是“宜居带”——围绕恒星运行的区域，只要它有适当的大气层，行星可以在其中保持液态水。可居住区的内缘是与恒星的距离，行星的大气层将经历失控的温室加热。目前，太阳宜居带的内缘约为地球-太阳距离的95%。

来源：神话抄写员

这里很好：太阳宜居区的当前位置。内缘位于地球-太阳距离的95%左右。

随着阳光的升亮，宜居区的内缘正在慢慢向外行进。适合居住区的内缘何时穿过地球轨道有点棘手，但估计距离现在还有大约10亿年。

从那时起，地球上不会再有液态水了。不再有液态水意味着不再有生命，至少正如我们所知。用伟大的梅尔·布鲁克斯的话来说：地球来了！

岩石行星轨道的混乱不稳定

行星的轨道是混乱的。从数学意义上讲，这意味着我们无法预测它们在遥远的未来（大约1000万到1亿年后）的确切位置。

在思考未来时，很容易想象最糟糕的情况。当我们的孩子还在爬来爬去时，我们会发现自己想象着可怕的未来，在这些未来中，他们从任何高大的边缘爬下来。幸运的是，从来没有发生过这样的事情。但这个前景会吓到我们。

鉴于岩石行星的轨道是混乱的，我们无法知道它们的未来。我们应该假设他们的轨道将永远保持良好和稳定吗？或者，像一个年轻的父母一样，我们应该假设最糟糕的情况，事情会以某种方式变得非常糟糕吗？

计算机可以帮助我们找到答案，尽管答案是概率的。使用旨在及时跟踪行星轨道的代码，我们可以模拟太阳系的许多可能的未来。每个模拟都从今天行星非常略有不同的位置开始，然后将它们投射到未来。我们非常准确地知道行星的位置，但在毫米到米的水平上存在不确定性，这些不确定性被混乱放大了。

一些模拟发现，水星的轨道将变得非常伸展或偏心。如果水星与木星进入“分子共振”，就可能发生这种情况。这种共振导致两颗行星之间的轨道对齐，其中行星的后置线——连接太阳到最近接近位置的线——开始一起进动，数千年来保持它们的对齐。这起到了以戏剧性的方式逐渐伸展水星轨道的作用：

来源：Greg Laughlin / Nature（2009）

一旦水星的轨道变得如此伸展，以至于穿过金星的轨道，各种疯狂的事情都可能发生。水星可以离太阳很近，以至于它被吞噬了。另一种可能性是水星与金星相撞。也许迄今为止看到的最戏剧性（和悲剧性）的结果是，水星最终可能会扰乱其他岩石行星的轨道，以至于引发地球和火星之间的碰撞，正如你在这张图片中看到的那样：

来源：科学共享图库

发生这种情况的可能性有多大？地球真的会在三十亿年后与火星相撞吗？2009年迄今为止最严格的研究表明，水星在未来50亿年内与木星发生长期共振并造成严重破坏的可能性约为1%。即使水星进入共振，与地球碰撞的可能性很小。水星更有可能只是落入太阳或与金星碰撞。

换句话说，岩石行星的轨道有99%的机会继续像发条一样围绕太阳旋转，至少直到太阳本身开始改变……

太阳将进化成一个红巨星，吞下系内的所有行星，变成一颗白矮星

大约50亿年后，太阳的核心将耗尽氢气，氢气是其聚变反应堆的燃料。太阳将继续将氢气融合到膨胀的外壳中，这将使太阳膨胀成一个红色的巨星。

来源：科学共享图库

阳光明媚的生活：红色巨星比太阳般的恒星更凉爽（因此它们会发红），但由于它们非常大的尺寸而非常明亮。

Betelgeuse是猎户座明亮的右肩，是红巨星的最好例子。太阳将在大约50亿年内成为一颗红巨星。它将增加亮度，将宜居带向外移动，以包括木星和土星。在这个阶段，巨行星的大卫星表面可能有液态水的条件。其中许多卫星内部有很多水，包括一些（最著名的是欧罗巴）在冰壳下有液态海洋。太阳系最大的卫星木卫三的质量大约是地球的40倍，但被认为它有大约一半的水！这使得木卫三的水预算远远大于地球，因为我们的星球只有1000个质量中约1个水。木卫三将在大约70亿年后成为海洋月球。

来源：Wendy Kenigsberg

区域转移：顶部：今天太阳周围的宜居区。底部：太阳周围的宜居带，一旦在大约70亿年后成为红巨星。

行星的轨道将适应不断变化的太阳。当太阳是红巨星时，系内行星将被吞没。随着太阳因从其表面流出的强风而失去质量，远离太阳的行星将扩展到更宽的轨道。随着太阳引力减弱，行星的轨道自然变宽，就像一个失去张力，随着年龄的增长而伸展。

太阳将膨胀约100倍，成为一颗红巨星，并将延伸到地球目前的轨道。我们的星球濒临：我们不知道它是被太阳吞噬还是逃到更大的轨道上。

与此同时，太阳的核心将收缩，直到温度和压力的升高使氦融合。当中会有几次闪光，然后太阳会像“行星状星云”的形式从外层上吹走（这与行星无关——它只是一个古老的名字）。太阳剩下的是它的核心，一颗小白矮星，它只会慢慢冷却，直到永远。

白矮星的质量几乎和太阳一样大，但体积只有地球那么大。这给了他们极强的表面重力，任何比氢或氦重的材料都会在几天到几个月内从大气层中沉淀出来，进入恒星本身——这是一瞬间的事。

当我们看到白矮星时，其中很大一部分似乎被“污染”了：它们的外层没有纯氢或氦光谱，而是受到岩石（有时富含冰）物质的污染。因为它应该很快就解决了，所以这种岩石材料一定是最近与白矮星相撞的。

白矮星可能会被非常近的轨道上的碎片盘缓慢落到其表面的物质流污染。这些碎片来自行星在轨道移动期间和之后被引力弹弓射出的小天体。由于白矮星是一个微小的目标，小天体不会撞击恒星，而是被其引力撕裂，旋转出岩石盘，当它们非常靠近白矮星的轨道时，这些岩石盘被磨碎了。

大约70亿年后，太阳将成为一颗白矮星。地球要么被红巨星吞噬，要么被彻底烤焦。从一位遥远的观察者看来，一个淡蓝色的圆点曾经绕着这个一毛钱一打的白矮星运行的唯一暗示是几条独特的光谱线——来自一个早已死亡的行星系统的血溅。

在这一点上，我们的故事是这样的：

来源：科学共享图库

但这不是目的。五颗（如果地球幸运的话，也许六颗）行星将幸存下来，将太阳视为白矮星。

一颗路过的恒星会触发行星之间的动态不稳定

没有什么是永恒的（即使是寒冷的十一月的雨）。

在太阳成为白矮星后，它的行星系统将几乎是当前大小的两倍。当然，不是从行星的数量来看（再见，系内岩石行星），而是从幸存行星轨道的大小来看。太阳将失去约40%的质量，其中大部分将在成为白矮星的路上创造一个美丽的行星状星云。这些行星的轨道将因响应而扩大约85%。海王星的轨道将从30个天文单位增长到大约55个，标志着行星的外部边缘。

从这里到永恒应该很顺利，对吧？这些行星将围绕白矮星运行良好、近乎圆形的轨道。太阳系那讨厌的内部混乱部分将被太阳吞噬。

现在只有一件事可能会危及太阳系：其他恒星。

明星们在婴儿时期会花很多时间彼此亲近。在它们的出生星团中，恒星经常相对靠近地通过。（确切的数字取决于出生集群的大小和密度。）有时，恒星经过得如此之近，以至于它们的引力会影响围绕每颗恒星的轨道上的东西。例如，一颗经过的恒星可能会破坏另一颗恒星行星形成盘的最外层部分的稳定。在某些情况下，过的恒星甚至可以偷走一颗非常宽轨道的行星。（这是假设的行星的可能起源。）

一个模型提出，柯伊伯带中非常遥远的物体的轨道是在太阳系历史的早期形成的，当时一颗恒星距离太阳不到几百到一千个天文单位。（这是一个有争议的模型。）这是像太阳这样的恒星在像太阳这样的出生星团中经历的最接近的距离。这次相遇甚至可能是太阳有史以来最接近的遭遇，至少从诞生到成为白矮星。

一旦它们的出生星团消散，恒星通常会远离彼此。这只是因为空间真的很大。考虑到太阳附近恒星的密度以及它们移动的速度，我们可以计算恒星在给定距离内通过所需的典型时间。平均而言，另一颗恒星每2000万年左右经过太阳10000个天文单位，每10亿年超过1000个天文单位，每1000亿年超过100个天文单位。

让我描述一下乔恩·津克、康斯坦丁·巴蒂金和弗雷德·亚当斯在2020年的一项精彩研究，该研究真正提高了我们对太阳系遥远未来的理解。他们对太阳系轨道演化进行了数万亿年的十次模拟，从今天开始，然后跟随行星，太阳变成红巨星，然后是白矮星，并一直持续到遥远的未来。大爆炸只有约140亿年的历史，所以Zink和同事的模拟范围大约是宇宙当前年龄的70倍。每个模拟都代表了太阳系的可能未来。在这种情况下，未来主要在靠近太阳和行星的恒星的通过方面有所不同。

只有当恒星非常接近时，行星系统才会受到强烈影响，其大小是最大行星轨道的三到五倍。海王星为30天文单位，一颗恒星需要在大约100个天文单位以内通过，才能对当今的太阳系产生强烈影响。但是，由于海王星在白矮星太阳周围有55个天文单位，一颗在大约200个天文单位内经过的恒星将对行星产生强烈影响。即使是500天文单位的飞越也会给海王星带来明显的引力踢腿。

在Zink和他的同事的模拟中，在大约300亿年内，一颗恒星在数百个天文单位内经过，引发了动态不稳定。这将比太阳系历史上早期发生的不稳定性要强得多，因为它将包括木星和土星之间的引力散射。这看起来不像是天体物理学家认为在巨行星系外常见的动态不稳定（并且经常摧毁它们的岩石行星）：

这种动态不稳定性将驱逐除一颗行星以外的所有剩余行星。行星之间的引力踢将为每颗行星提供足够的轨道能量，以发射到星际空间，成为自由浮动的行星。在Zink的大多数模拟中，木星是最后一颗站立的行星，在类似于巨行星系外行星的伸展轨道上生存。

从那时起，太阳系将仅由白矮星太阳和木星组成。这很奇怪，因为如果我们使用当今的技术搜索附近类似太阳的恒星周围的太阳系，木星仍然是唯一可以探测到的太阳系行星（目前）。

恒星的近距离通道剥离了太阳最后一颗行星

就像每根绳子都有一个断点一样，如果另一颗恒星足够近，任何行星都可以被从恒星中剥离。

在这个阶段，太阳系最后一颗站立的行星木星将处于一个宽阔的伸展轨道上。

恒星的遥远飞掠可以轻轻地将木星推向喷射，但非常罕见、非常近距离的遭遇的影响实际上是主导因素。Zink的模拟需要等待大约1000亿年才能让一颗恒星在大约200个天文单位内通过。这颗恒星为木星提供了逃离白矮太阳而再也回不回来所需的引力能量。（Zink的模拟在最后一颗恒星的喷射时间上存在范围，从未来的约400亿年到300多一点。）

因此，以下是太阳系生命的最后阶段：

来源；科学共享图库

太阳八颗原始行星中的五颗或六颗仍然完好无损，只是不在绕太阳的轨道上。这些行星将作为自由漂浮或“流氓”行星生存（另外两三颗是在红巨星阶段吞噬的）。当然，这些行星不会是孤独的：随着许多其他恒星的行星被星际空间失去，自由浮动行星的丰度将不断增加。

这标志着太阳系的终结。讲了那么多，有没有勾起你的好奇心？我希望你喜欢太阳系的故事。

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