太阳系将如何走向它的终幕？

永远丶并不远

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我们的太阳系正在慢慢地走向衰亡。在接下来的几十亿年里，将发生一系列不幸的事件，从微小的变化到真正的悲剧。之后，我们的太阳系将会毁灭：所有的行星都将消失不见，太阳将变成一颗孤独的白矮星。

(让我先哭一会儿）

笔者将引导大家一步步了解太阳系的未来。由于地球是我们的家园，因此笔者将介绍一个影响地球生命的关键事件。以下是典型性的未来：
1.地球的海洋将沸腾。
2.岩质行星的轨道可能会变得不稳定，导致行星之间发生碰撞。
3.太阳将变成红巨星，吞噬岩质行星。
4.偶尔经过的恒星会引发剩余行星之间的不稳定运动。
5.偶尔经过的恒星会带走最后一颗行星。
除了第2个事件发生的概率相对较小之外，这些事件几乎都会发生。但是，这些事件最终完成需要大约 1000 亿年的时间。
让我们开始吧。


地球上液态水（和生命）的终结


太阳正在缓慢地升温。它现在的亮度比刚刚形成时提高了约30%。当太阳内核中的氢转化为氦时，其平均分子量会增加，从而提高内核的温度和核聚变反应的速率，这使得太阳的能量输出缓慢增加。

太阳的演化：红色曲线代表太阳亮度
来源：维基共享资源


人类所知的生命形态都需要液态水。为了在行星表面维持液态水，流入的能量和流出的能量之间必须保持平衡，以维持适当的温度范围。
能量平衡一直在自我调节，如果地球大气中的温室气体含量增加（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，它可以调节大气中的二氧化碳含量，从而维持稳定的气候。不幸的是，它的作用时间大约为一百万年，这对人类来说速度太慢，无法帮助我们解决目前的全球变暖问题。

热毯：温室效应使我们的大气层像一个毯子，缓慢减少流向太空的热量，温室气体越多，毯子越厚

来源：Time Scavengers


行星升温的另一种方式是增加输入的能量，太阳亮度的缓慢增强就属于这种情况。虽然地球气候会因季节、大气成分改变（即人为温室气体的变化或火山尘埃的变化）和米兰科维奇周期而发生短期变化，但由于太阳亮度的增加，地球表面正在缓慢地升温。
等到某一时刻，地球大气层将无法再维持稳定的能量平衡，温室效应的升温将进入失控阶段。在失控的温室中，会出现正反馈循环：地球表面变得越来越热，导致更多的水蒸发到大气中，水作为一种强温室气体，会增强温室效应，从而进一步使地球表面升温。

来源:Sean Raymond


一旦温室效应失控，地球表面的升温将导致海洋完全蒸发。这会让地球越来越热，直到达到一个新的平衡：炙热的地表和被困在大气中的水共存（此时的水很可能处于 "超临界 "状态，即液态和气态不分）。地球表面会有更多的水蒸气，但不会有液态的海洋。
另一种思考方式是 "宜居带"——恒星周围的轨道区域，在这个区域内，行星只要有适当的大气层，就能保持液态水。当行星大气层与恒星的距离小于宜居带的内边缘，行星的大气层会出现温室效应失控现象。目前，太阳宜居带的内边缘约为地球与太阳距离的95%。

宜居带：太阳宜居带当前的位置，内边缘位于日地距离的约95%处
图片来源：Mythic Scribes


随着太阳越来越亮，宜居带的内边缘正在缓慢向外移动。我们很难确定宜居带的内边缘究竟何时会越过地球轨道，但估计大约在 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，至少是我们所知形式的生命。


岩石行星轨道的混乱不稳定性


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未来（大约 1 千万年到 1 亿年之后）的确切位置。
在畅想未来时，很容易想象出最坏的情况。鉴于岩质行星的轨道是混乱的，我们无法知道它们的未来。我们是否应该假设它们的轨道将永远保持稳定？或者，我们应该做最坏的打算，假设事情会以某种方式出较大差错？
计算机可以帮助我们找到一个概率性的答案，我们可以利用代码来模拟行星轨道，模拟太阳系许多可能的未来。每一次模拟都从行星当前的精细的不同位置开始，然后预测到未来。我们对行星位置的了解相当精确，但也存在毫米到米级的不确定性，而这些不确定性会被混沌放大。
一些模拟发现，如果水星与木星发生 "长期共振"，水星的轨道会极度伸长，或者说偏心。共振会导致两颗行星的轨道对齐，在这种情况下，行星的潮汐线——连接太阳和最接近位置的直线——开始一起前冲，并在数千年内保持对齐。这使得水星的轨道快速地拉长：

图片来源: Greg Laughlin / Nature (2009)



一旦水星的轨道被拉伸到与金星的轨道相交，将会发生各种混乱的碰撞。水星可能因为过于接近太阳而被吞噬，或是与金星相撞。也许迄今为止看到的最戏剧性（也是最悲惨）的结果是，水星有可能最终扰乱其他岩质行星的轨道，以至于引发地球和火星之间的碰撞，就像你在这张图片中看到的那样：

发生这种情况的可能性有多大？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究表明，水星进入与木星的长期共振，并在未来 50 亿年内造成破坏的概率约为 1%。即使水星进入共振，与地球发生碰撞的可能性也很小。水星更有可能直接坠入太阳或与金星相撞。
换句话说，岩质行星的轨道有99%的可能性会像钟表一样继续围绕太阳运转，至少在太阳本身开始发生变化之前是这样......


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，作为太阳核聚变反应燃料的氢将耗尽，太阳将继续在不断膨胀的外壳中熔化氢，这将使太阳膨胀成一颗红巨星。

太阳的生命：红巨星比类日恒星温度低，但是由于巨大的体积，它们十分明亮

图片来源：Unuplusunu / Wikicommons


猎户座明亮的参宿四就是红巨星的一个很好的例子。在大约5亿年的时间里，太阳都将是一颗红巨星，它的亮度增加，使宜居带向外移动，将木星和土星涵括在内。在这一阶段，巨行星的大型卫星可能具备在其表面形成液态水的条件。许多卫星的内部都有大量的水，包括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，但一般认为该星球有大约一半是水，即木卫三的水储量大大超过地球。因为按质量计算，我们的星球每1000个水分子中只有1个是水。在大约 70 亿年后，木卫三将成为一颗海洋卫星。
行星的轨道会随着太阳的变化而变化。当太阳变成红巨星时，内行星将被吞噬。远离太阳的行星会随着太阳质量（形成了太阳风）的减少而扩展到更宽的轨道上。随着太阳引力的减弱，行星的轨道会自然变宽，随着时间的增长而伸展开来。
红巨星非常巨大，太阳要膨胀约100倍才能成为红巨星，并将延伸到地球目前的轨道那么远。我们的星球正处于红巨星半径边缘，我们不知道在此期间地球是会被太阳吞噬，还是会逃到一个更大的轨道上。
与此同时，太阳的内核会收缩，直到温度和压力的升高使氦聚变。在这个过程中会有几次闪光，然后太阳就会像 "行星状星云"（与行星无关——这只是一个沿用至今的老名字）一样，"哧"地一声脱去外层，这之后太阳剩下的就是它的内核了。内核是一颗小白矮星，什么也不会做，只会慢慢冷却，直到永远。

图片来源：Sean Raymond


白矮星的质量几乎与太阳相当，但只有地球大小。这使它们具有极强的表面引力，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本身——这在天文学上只是一眨眼的功夫。
当我们观察白矮星时，它们中的很大一部分似乎都被 "污染"了：它们的外层不是纯粹的氢或氦光谱，而是被岩石（有时是富冰）物质污染了。因为这些岩石物质应该很快就会沉淀下去，所以它们是最近才与白矮星发生碰撞的。
白矮星可能受到来自非常靠近的碎片盘物质流的缓慢污染。这些碎片来自小天体，它们在轨道移动期间被行星的引力弹射。由于白矮星是一个很小的目标，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，在非常靠近白矮星的轨道上被磨成尘埃。
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，要么被彻底烤熟。在遥远的观测者眼里，唯一能暗示一个淡蓝色的小球曾经围绕着这颗白矮星运行的，将是几条独特的光谱线——那是一个早已消亡的行星系溅出的血迹。


一颗经过的恒星
引发行星间的运动不稳定性


没有什么是永恒的。
太阳变成白矮星后，它的行星系统会比现在大几乎一倍。当然，这不是指行星的数量，而是指幸存行星轨道的大小。太阳将失去约40%的质量，其中大部分将在变成形成白矮星的过程中的美丽行星星云。行星的轨道将相应地扩大约85%。海王星的轨道将从30天文单位增长到大约55天文单位，标志着行星的外缘。
自此，到永恒应该一帆风顺吧？行星们将围绕着白矮星运行在近乎圆形的轨道上，而太阳系混乱的内部将被吞没。
现在只有一种东西可能危及太阳系：其他恒星。
恒星只有在它们还是婴儿的时候，才在大部分时间靠近彼此。在它们的诞生星团中，恒星经常会相对靠近地擦肩而过（具体数量取决于诞生星团的大小和密度）。有时，恒星擦身而过的距离非常近，以至于它们的引力会影响到每颗恒星周围的轨道。例如，一颗经过的恒星会破坏另一颗恒星行星形成星盘最外层的稳定。在某些情况下，一颗擦身而过的恒星甚至会偷走一颗轨道非常远的行星。
有一种模型认为，柯伊伯带中非常遥远的天体的轨道是在太阳系历史的早期形成的，当时有一颗恒星距离太阳只有几百到一千个天文单位的距离（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距离一般都是这样。这次相遇甚至可能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间是这样。
一旦它们诞生的星团消散，恒星一般都会彼此远离，这只是因为宇宙真的很大。考虑到太阳附近恒星的密度以及它们的移动速度，我们可以计算出一颗恒星在太阳一定距离内经过的典型时间。平均来说，每2千万年左右，太阳周围1万个天文单位内就会有一颗恒星经过；每十亿年，太阳周围 1000 个天文单位内就会有一颗恒星经过；每一千亿年，太阳周围 100 个天文单位内就会有一颗恒星经过。
让笔者来介绍一下Jon Zink，Konstantin Batygin和Fred Adams在2020年进行的一项研究，这项研究增进了我们对太阳系遥远未来的了解。他们对太阳系一万亿年的轨道演化进行了10次模拟，从现在开始，随着太阳变成红巨星，再变成白矮星，一直到遥远的未来。宇宙大爆炸只有 140 亿年的历史，因此Zink及其同事的模拟时间大约是目前宇宙年龄的 70 倍。每个模拟都代表了太阳系可能的未来。在这种情况下，未来的不同主要体现在靠近太阳的恒星和行星的掠过上。
只有当一颗恒星在非常近的距离（最大行星轨道大小的三到五倍）内经过时，行星系统才会受到强烈的影响。海王星位于 30 个天文单位的位置，一颗恒星需要在大约 100 个天文单位的范围内经过，才能对现在的太阳系产生强烈影响。但是，海王星在白矮星太阳周围 55 个天文单位的位置，一颗恒星在大约 200 个天文单位的范围内经过，就会对行星（如海王星）产生强烈的影响。即使是在 500 个天文单位的范围内飞过，也会给海王星带来明显的引力。
在Zink和他的同事的模拟中，大约 300 亿年内，有一颗恒星从几百个天文单位的范围内经过，引发了不稳定运动。这种不稳定性比太阳系历史早期发生的不稳定要强烈得多，因为它将包括木星和土星之间的引力散射。天体物理学家认为，相比于巨行星相对平缓的轨道扩展，这个过程更像是巨型系外行星系统中常见的运动学不稳定现象（这经常会摧毁它们的岩石行星）。
这种运动不稳定性将把所有剩余的行星抛射出去，只有一颗除外。行星之间的引力磕碰会给每颗行星（除了一颗）带来足够的轨道能量，从而被发射到星际空间，成为自由漂浮的行星。在Zink的大多数模拟中，木星是最后一颗屹立不倒的行星，它将在一个与巨型系外行星类似的拉伸轨道上存活下来。

从此，太阳系将只由白矮星太阳和木星组成。这从某种角度上来说是成立的，因为如果我们用现在的技术去附近的类太阳恒星探测太阳系，木星仍然是目前唯一能被探测到的太阳系行星。


一颗恒星的近距离穿越
带走太阳的最后一颗行星


就像每根绳子都有一个断裂点一样，只要有另一颗恒星靠近，任何行星都可能从恒星上剥离。
在这个阶段，木星这颗太阳系中最后一颗屹立不倒的行星，它将处于一个宽阔且被拉伸的轨道上。
恒星的远距离飞越会轻轻将木星推向更远的地方，但实际上，近距离相遇的影响才是最主要的。Zink的模拟需要等待大约1000亿年，才会有一颗恒星在大约200个天文单位的范围内飞过。这颗恒星为木星提供了所需的引力能量，让木星逃离白矮星太阳，再也不会回来。(在Zink的模拟中，最后一颗行星的弹射时间范围从大约 400 亿年到 3000 多亿年不等）
因此，太阳系生命的最后阶段将会是这样的：
当一切都结束后，太阳原有的八颗行星中仍有五六颗完好无损，只是不在围绕太阳运行的轨道上。这些行星将作为自由浮游行星或 "流浪"行星生存下来（其他两三颗行星将在红巨星阶段被吞噬）。当然，这些行星并不孤单：随着许多其他恒星的行星消失在星际空间，自由漂浮行星的数量也会不断增加。
这标志着太阳系的终结：一切都结束了。希望你们喜欢这几十亿年里它的故事。
翻译：刘海牧
校对：木川 王茸
审阅：牧夫校对组
美编：李鸣晨
后台：胡永葳
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编辑：花卷