我是斜杠青年，一個熱愛自然科學(xué)的“雜食性”學(xué)者！

我們的太陽系即將離開。慢慢地。在未來數(shù)十億年里，將發(fā)生一系列不幸的事件，從不太偉大的事件到真正悲慘的事件。之后，我們的太陽系將消失：所有的行星都將消失，太陽將成為一個孤獨的白矮星。

來源：科學(xué)共享圖庫

我將一步一步地指導(dǎo)我們度過太陽系的未來。由于地球是我們的基地，根據(jù)科學(xué)預(yù)測，我將包括一個影響地球上生命的關(guān)鍵事件娓娓道來。以下是即將到來的五個步驟：

1.地球的海洋將沸騰。

2.巖石行星的軌道可能會不穩(wěn)定，導(dǎo)致行星之間潛在的巨星碰撞。

3.太陽將成為一顆紅巨星，吞噬巖石行星。

4.一顆經(jīng)過的恒星將引發(fā)剩余行星之間的動力學(xué)不穩(wěn)定。

5.一顆路過的恒星將剝離最后一顆行星。

除了第2個步驟（概率相對較小）外，每個事件都會發(fā)生，幾乎可以肯定。但大約需要1000億年才能走到盡頭。

地球上液態(tài)水（和生命）的終結(jié)

太陽升溫得越來越慢。今天，它比它形成后亮了大約30%。當(dāng)太陽將氫轉(zhuǎn)化為核心氦時，平均分子量增加，從而增加核心的溫度，從而提高聚變反應(yīng)的速度（稱為質(zhì)子-質(zhì)子鏈）。這慢慢增加了太陽的能量輸出。

來源：科學(xué)共享圖庫

太陽進化：每條曲線都顯示了與當(dāng)前太陽相比的太陽特征之一。紅色曲線顯示了它的亮度。

我們的生活需要液態(tài)水。為了保持行星表面的液態(tài)水，必須在進入的能量和保持正確溫度范圍的能量之間保持平衡。

能量平衡總是在調(diào)整自己。如果地球大氣中的溫室氣體數(shù)量增加（就像今天你所看到的一樣），溫室氣體的“全面”效應(yīng)會創(chuàng)造出表面更熱的新能源平衡。

地球確實有一個內(nèi)置的恒溫器：碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)，它調(diào)節(jié)大氣中的二氧化碳量，從而保持穩(wěn)定的氣候。不幸的是，對我們?nèi)祟悂碚f，它在大約一百萬年的時間范圍內(nèi)運行，因此幫助我們解決當(dāng)前的全球變暖問題太慢了。

來源：時間清道夫

熱毯：溫室效應(yīng)通過減緩空間的能量損失，基本上讓我們的大氣像毯子一樣流動。更多的溫室氣體意味著毯子更厚。

行星加熱的另一種方式是，如果傳入的能量量增加。當(dāng)太陽的亮度慢慢增加時，這正是正在發(fā)生的事情。而且，盡管地球氣候因季節(jié)、大氣成分（包括人造溫室氣體變化，有時來自火山塵埃）和米蘭科維奇周期而變化較短，但由于太陽亮度的增加，地球表面正在緩慢但不可阻擋地升溫。

在某個時候，地球大氣層將不再能夠保持穩(wěn)定的能量平衡，溫室供暖將進入失控階段。在失控的溫室里，有一個積極的反饋循環(huán)。行星表面變得更熱，導(dǎo)致更多的水蒸發(fā)到大氣中。水是一種強大的溫室氣體，因此這增加了溫室效應(yīng)的強度，從而進一步加熱地球表面。

來源：肖恩·雷蒙德

一旦溫室效應(yīng)失控，它將使地球表面升溫，以至于海洋將完全蒸發(fā)。這只會使地球更熱，直到達到新的平衡，表面灼熱，所有水都被困在大氣中（可能處于“超臨界”狀態(tài)，這意味著液體和氣體之間沒有區(qū)別）。地球表面附近會有更多的水蒸氣，但沒有液態(tài)海洋。

另一種思考方式是“宜居帶”——圍繞恒星運行的區(qū)域，只要它有適當(dāng)?shù)拇髿鈱樱行强梢栽谄渲斜３忠簯B(tài)水。可居住區(qū)的內(nèi)緣是與恒星的距離，行星的大氣層將經(jīng)歷失控的溫室加熱。目前，太陽宜居帶的內(nèi)緣約為地球-太陽距離的95%。

來源：神話抄寫員

這里很好：太陽宜居區(qū)的當(dāng)前位置。內(nèi)緣位于地球-太陽距離的95%左右。

隨著陽光的升亮，宜居區(qū)的內(nèi)緣正在慢慢向外行進。適合居住區(qū)的內(nèi)緣何時穿過地球軌道有點棘手，但估計距離現(xiàn)在還有大約10億年。

從那時起，地球上不會再有液態(tài)水了。不再有液態(tài)水意味著不再有生命，至少正如我們所知。用偉大的梅爾·布魯克斯的話來說：地球來了！

巖石行星軌道的混亂不穩(wěn)定

行星的軌道是混亂的。從數(shù)學(xué)意義上講，這意味著我們無法預(yù)測它們在遙遠的未來（大約1000萬到1億年后）的確切位置。

在思考未來時，很容易想象最糟糕的情況。當(dāng)我們的孩子還在爬來爬去時，我們會發(fā)現(xiàn)自己想象著可怕的未來，在這些未來中，他們從任何高大的邊緣爬下來。幸運的是，從來沒有發(fā)生過這樣的事情。但這個前景會嚇到我們。

鑒于巖石行星的軌道是混亂的，我們無法知道它們的未來。我們應(yīng)該假設(shè)他們的軌道將永遠保持良好和穩(wěn)定嗎？或者，像一個年輕的父母一樣，我們應(yīng)該假設(shè)最糟糕的情況，事情會以某種方式變得非常糟糕嗎？

計算機可以幫助我們找到答案，盡管答案是概率的。使用旨在及時跟蹤行星軌道的代碼，我們可以模擬太陽系的許多可能的未來。每個模擬都從今天行星非常略有不同的位置開始，然后將它們投射到未來。我們非常準確地知道行星的位置，但在毫米到米的水平上存在不確定性，這些不確定性被混亂放大了。

一些模擬發(fā)現(xiàn)，水星的軌道將變得非常伸展或偏心。如果水星與木星進入“分子共振”，就可能發(fā)生這種情況。這種共振導(dǎo)致兩顆行星之間的軌道對齊，其中行星的后置線——連接太陽到最近接近位置的線——開始一起進動，數(shù)千年來保持它們的對齊。這起到了以戲劇性的方式逐漸伸展水星軌道的作用：

來源：Greg Laughlin / Nature（2009）

一旦水星的軌道變得如此伸展，以至于穿過金星的軌道，各種瘋狂的事情都可能發(fā)生。水星可以離太陽很近，以至于它被吞噬了。另一種可能性是水星與金星相撞。也許迄今為止看到的最戲劇性（和悲劇性）的結(jié)果是，水星最終可能會擾亂其他巖石行星的軌道，以至于引發(fā)地球和火星之間的碰撞，正如你在這張圖片中看到的那樣：

來源：科學(xué)共享圖庫

發(fā)生這種情況的可能性有多大？地球真的會在三十億年后與火星相撞嗎？2009年迄今為止最嚴格的研究表明，水星在未來50億年內(nèi)與木星發(fā)生長期共振并造成嚴重破壞的可能性約為1%。即使水星進入共振，與地球碰撞的可能性很小。水星更有可能只是落入太陽或與金星碰撞。

換句話說，巖石行星的軌道有99%的機會繼續(xù)像發(fā)條一樣圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，至少直到太陽本身開始改變……

太陽將進化成一個紅巨星，吞下系內(nèi)的所有行星，變成一顆白矮星

大約50億年后，太陽的核心將耗盡氫氣，氫氣是其聚變反應(yīng)堆的燃料。太陽將繼續(xù)將氫氣融合到膨脹的外殼中，這將使太陽膨脹成一個紅色的巨星。

來源：科學(xué)共享圖庫

陽光明媚的生活：紅色巨星比太陽般的恒星更涼爽（因此它們會發(fā)紅），但由于它們非常大的尺寸而非常明亮。

Betelgeuse是獵戶座明亮的右肩，是紅巨星的最好例子。太陽將在大約50億年內(nèi)成為一顆紅巨星。它將增加亮度，將宜居帶向外移動，以包括木星和土星。在這個階段，巨行星的大衛(wèi)星表面可能有液態(tài)水的條件。其中許多衛(wèi)星內(nèi)部有很多水，包括一些（最著名的是歐羅巴）在冰殼下有液態(tài)海洋。太陽系最大的衛(wèi)星木衛(wèi)三的質(zhì)量大約是地球的40倍，但被認為它有大約一半的水！這使得木衛(wèi)三的水預(yù)算遠遠大于地球，因為我們的星球只有1000個質(zhì)量中約1個水。木衛(wèi)三將在大約70億年后成為海洋月球。

來源：Wendy Kenigsberg

區(qū)域轉(zhuǎn)移：頂部：今天太陽周圍的宜居區(qū)。底部：太陽周圍的宜居帶，一旦在大約70億年后成為紅巨星。

行星的軌道將適應(yīng)不斷變化的太陽。當(dāng)太陽是紅巨星時，系內(nèi)行星將被吞沒。隨著太陽因從其表面流出的強風(fēng)而失去質(zhì)量，遠離太陽的行星將擴展到更寬的軌道。隨著太陽引力減弱，行星的軌道自然變寬，就像一個失去張力，隨著年齡的增長而伸展。

太陽將膨脹約100倍，成為一顆紅巨星，并將延伸到地球目前的軌道。我們的星球瀕臨：我們不知道它是被太陽吞噬還是逃到更大的軌道上。

與此同時，太陽的核心將收縮，直到溫度和壓力的升高使氦融合。當(dāng)中會有幾次閃光，然后太陽會像“行星狀星云”的形式從外層上吹走（這與行星無關(guān)——它只是一個古老的名字）。太陽剩下的是它的核心，一顆小白矮星，它只會慢慢冷卻，直到永遠。

白矮星的質(zhì)量幾乎和太陽一樣大，但體積只有地球那么大。這給了他們極強的表面重力，任何比氫或氦重的材料都會在幾天到幾個月內(nèi)從大氣層中沉淀出來，進入恒星本身——這是一瞬間的事。

當(dāng)我們看到白矮星時，其中很大一部分似乎被“污染”了：它們的外層沒有純氫或氦光譜，而是受到巖石（有時富含冰）物質(zhì)的污染。因為它應(yīng)該很快就解決了，所以這種巖石材料一定是最近與白矮星相撞的。

白矮星可能會被非常近的軌道上的碎片盤緩慢落到其表面的物質(zhì)流污染。這些碎片來自行星在軌道移動期間和之后被引力彈弓射出的小天體。由于白矮星是一個微小的目標，小天體不會撞擊恒星，而是被其引力撕裂，旋轉(zhuǎn)出巖石盤，當(dāng)它們非常靠近白矮星的軌道時，這些巖石盤被磨碎了。

大約70億年后，太陽將成為一顆白矮星。地球要么被紅巨星吞噬，要么被徹底烤焦。從一位遙遠的觀察者看來，一個淡藍色的圓點曾經(jīng)繞著這個一毛錢一打的白矮星運行的唯一暗示是幾條獨特的光譜線——來自一個早已死亡的行星系統(tǒng)的血濺。

在這一點上，我們的故事是這樣的：

來源：科學(xué)共享圖庫

但這不是目的。五顆（如果地球幸運的話，也許六顆）行星將幸存下來，將太陽視為白矮星。

一顆路過的恒星會觸發(fā)行星之間的動態(tài)不穩(wěn)定

沒有什么是永恒的（即使是寒冷的十一月的雨）。

在太陽成為白矮星后，它的行星系統(tǒng)將幾乎是當(dāng)前大小的兩倍。當(dāng)然，不是從行星的數(shù)量來看（再見，系內(nèi)巖石行星），而是從幸存行星軌道的大小來看。太陽將失去約40%的質(zhì)量，其中大部分將在成為白矮星的路上創(chuàng)造一個美麗的行星狀星云。這些行星的軌道將因響應(yīng)而擴大約85%。海王星的軌道將從30個天文單位增長到大約55個，標志著行星的外部邊緣。

從這里到永恒應(yīng)該很順利，對吧？這些行星將圍繞白矮星運行良好、近乎圓形的軌道。太陽系那討厭的內(nèi)部混亂部分將被太陽吞噬。

現(xiàn)在只有一件事可能會危及太陽系：其他恒星。

明星們在嬰兒時期會花很多時間彼此親近。在它們的出生星團中，恒星經(jīng)常相對靠近地通過。（確切的數(shù)字取決于出生集群的大小和密度。）有時，恒星經(jīng)過得如此之近，以至于它們的引力會影響圍繞每顆恒星的軌道上的東西。例如，一顆經(jīng)過的恒星可能會破壞另一顆恒星行星形成盤的最外層部分的穩(wěn)定。在某些情況下，過的恒星甚至可以偷走一顆非常寬軌道的行星。（這是假設(shè)的行星的可能起源。）

一個模型提出，柯伊伯帶中非常遙遠的物體的軌道是在太陽系歷史的早期形成的，當(dāng)時一顆恒星距離太陽不到幾百到一千個天文單位。（這是一個有爭議的模型。）這是像太陽這樣的恒星在像太陽這樣的出生星團中經(jīng)歷的最接近的距離。這次相遇甚至可能是太陽有史以來最接近的遭遇，至少從誕生到成為白矮星。

一旦它們的出生星團消散，恒星通常會遠離彼此。這只是因為空間真的很大?？紤]到太陽附近恒星的密度以及它們移動的速度，我們可以計算恒星在給定距離內(nèi)通過所需的典型時間。平均而言，另一顆恒星每2000萬年左右經(jīng)過太陽10000個天文單位，每10億年超過1000個天文單位，每1000億年超過100個天文單位。

讓我描述一下喬恩·津克、康斯坦丁·巴蒂金和弗雷德·亞當(dāng)斯在2020年的一項精彩研究，該研究真正提高了我們對太陽系遙遠未來的理解。他們對太陽系軌道演化進行了數(shù)萬億年的十次模擬，從今天開始，然后跟隨行星，太陽變成紅巨星，然后是白矮星，并一直持續(xù)到遙遠的未來。大爆炸只有約140億年的歷史，所以Zink和同事的模擬范圍大約是宇宙當(dāng)前年齡的70倍。每個模擬都代表了太陽系的可能未來。在這種情況下，未來主要在靠近太陽和行星的恒星的通過方面有所不同。

只有當(dāng)恒星非常接近時，行星系統(tǒng)才會受到強烈影響，其大小是最大行星軌道的三到五倍。海王星為30天文單位，一顆恒星需要在大約100個天文單位以內(nèi)通過，才能對當(dāng)今的太陽系產(chǎn)生強烈影響。但是，由于海王星在白矮星太陽周圍有55個天文單位，一顆在大約200個天文單位內(nèi)經(jīng)過的恒星將對行星產(chǎn)生強烈影響。即使是500天文單位的飛越也會給海王星帶來明顯的引力踢腿。

在Zink和他的同事的模擬中，在大約300億年內(nèi)，一顆恒星在數(shù)百個天文單位內(nèi)經(jīng)過，引發(fā)了動態(tài)不穩(wěn)定。這將比太陽系歷史上早期發(fā)生的不穩(wěn)定性要強得多，因為它將包括木星和土星之間的引力散射。這看起來不像是天體物理學(xué)家認為在巨行星系外常見的動態(tài)不穩(wěn)定（并且經(jīng)常摧毀它們的巖石行星）：

這種動態(tài)不穩(wěn)定性將驅(qū)逐除一顆行星以外的所有剩余行星。行星之間的引力踢將為每顆行星提供足夠的軌道能量，以發(fā)射到星際空間，成為自由浮動的行星。在Zink的大多數(shù)模擬中，木星是最后一顆站立的行星，在類似于巨行星系外行星的伸展軌道上生存。

從那時起，太陽系將僅由白矮星太陽和木星組成。這很奇怪，因為如果我們使用當(dāng)今的技術(shù)搜索附近類似太陽的恒星周圍的太陽系，木星仍然是唯一可以探測到的太陽系行星（目前）。

恒星的近距離通道剝離了太陽最后一顆行星

就像每根繩子都有一個斷點一樣，如果另一顆恒星足夠近，任何行星都可以被從恒星中剝離。

在這個階段，太陽系最后一顆站立的行星木星將處于一個寬闊的伸展軌道上。

恒星的遙遠飛掠可以輕輕地將木星推向噴射，但非常罕見、非常近距離的遭遇的影響實際上是主導(dǎo)因素。Zink的模擬需要等待大約1000億年才能讓一顆恒星在大約200個天文單位內(nèi)通過。這顆恒星為木星提供了逃離白矮太陽而再也回不回來所需的引力能量。（Zink的模擬在最后一顆恒星的噴射時間上存在范圍，從未來的約400億年到300多一點。）

因此，以下是太陽系生命的最后階段：

來源；科學(xué)共享圖庫

太陽八顆原始行星中的五顆或六顆仍然完好無損，只是不在繞太陽的軌道上。這些行星將作為自由漂浮或“流氓”行星生存（另外兩三顆是在紅巨星階段吞噬的）。當(dāng)然，這些行星不會是孤獨的：隨著許多其他恒星的行星被星際空間失去，自由浮動行星的豐度將不斷增加。

這標志著太陽系的終結(jié)。講了那么多，有沒有勾起你的好奇心？我希望你喜歡太陽系的故事。

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