Long-Term Solar System Evolution

太阳系的长期演化

随着太阳变成白矮星，剩余行星可能在漫长的岁月中被瓦解或抛射出去

红巨星阶段之后的太阳系

为了 再过 50 亿年，我们的太阳将继续在其核心（主序星）进行氢聚变。然而，一旦燃料耗尽，太阳就会演化成 红巨星 和 渐近巨分支 阶段，失去大部分质量，最终留下 白矮星在这些晚期进化步骤中，行星的轨道——尤其是 外巨人——如果距离足够近，可能会对质量损失、引力潮汐力和潜在的恒星风阻力做出反应。尽管 内行星 （水星、金星，可能还有地球）很可能被吞噬，其余的可能幸存下来，但轨道会发生变化。在漫长的时间里（数百亿年），其他影响——例如随机掠过的恒星或银河系潮汐——可能会进一步重新排列或扰乱这个系统。下文将依次探讨每个阶段及其结果。

2. 晚期太阳系动力学的关键驱动因素

2.1 红巨星和渐近巨星爆发阶段的太阳质量损失

在 红巨星 以及后来 气相色谱法 在渐近巨星支阶段，太阳包层会膨胀，并逐渐以恒星风或大型脉动抛射的形式消失。据估计，到渐近巨星支结束时，太阳的质量可能会减少约20%到30%。

  • 亮度和半径：在红巨星阶段，太阳的光度会飙升至目前的数千倍，半径可达约 1 个天文单位或更多。
  • 质量损失率：数亿年来，强大的恒星风系统地吹走了恒星的外层，最终形成行星状星云。
  • 对轨道的影响：恒星质量减小会削弱引力束缚，导致幸存行星的轨道膨胀，正如基本二体关系所描述的那样，其中 a ∝ 1/M⊙换句话说，如果太阳的质量减少到 70-80%，行星的半长轴可能会相应扩大 [1,2]。

2.2 内行星的吞噬

汞 和 金星 几乎肯定会被吞咽。 地球 处于临界状态——一些模型显示，如果质量损失足以扩大地球的轨道，地球仍有可能部分幸存，但潮汐阻力仍可能使其毁灭。在渐近巨星阶段之后，只有外行星（如果地球消失，则火星向外）、矮行星和外层小天体可能幸存，尽管它们的轨道会发生变化。

2.3 白矮星的形成

在渐近巨噬细胞结束时，太阳抛出其外壳，形成 行星状星云 经过数万年，留下了 白矮星 质量约为0.5-0.6个太阳质量。这些致密的残余物不再发生聚变；它辐射剩余的热能，在数十亿或数万亿年的时间里缓慢冷却。引力势能较低，这意味着幸存的行星轨道会扩大或轨道参数会发生变化，为在新的恒星-行星质量比下长期演化奠定基础。

3. 外行星的命运：木星、土星、天王星、海王星

3.1 轨道扩展

在红巨星和渐近巨星质量损失阶段， 木星、土星、天王星和海王星 由于绝热质量损失，会膨胀。粗略地说，每个半长轴f 如果质量损失时间尺度相对于轨道周期较慢，则可以近似计算质量损失后的时间：

a₍f₎ ≈ a₍i₎ × (M₍⊙,i₎/M₍⊙,f₎)

其中 M⊙,我 是初始太阳质量，M⊙,f 是最终质量（~0.55–0.6 M）⊙）。如果恒星的质量减少70%到80%，每颗行星的轨道可能会增加约1.3到1.4倍。例如，木星目前的轨道为5。2天文单位可能会变成约7-8天文单位，具体取决于最终质量。土星、天王星和海王星的轨道也同样向外移动[3,4]。

3.2 长期稳定性

一旦太阳 白矮星，尽管行星系统会不断膨胀，但在未来数十亿年内，它仍可能保持稳定。然而，许多因素会在极长的时间内降低行星系统的稳定性：

  • 行星间的相互扰动：在数十亿年的时间尺度上，共振或混沌相互作用可以累积。
  • 流星：太阳绕银河系运行。几千个天文单位或更近距离内的恒星飞掠可能会扰乱轨道，并可能造成抛射。
  • 银河潮汐：在数百亿/数千亿年的时间尺度上，即使是轻微的银河潮汐效应也会改变外层轨道。

一些模拟预测，在约 1010–1011 几年后，巨行星的轨道可能会变得足够混乱，足以将它们抛出或引发碰撞，尽管具体时间尺度尚不确定。或者，除非有恒星近距离经过，否则系统可能保持部分完整。总的来说，稳定性在很大程度上取决于当地恒星环境的动态“安静”程度。

3.3 潜在的行星幸存者

在很多场景中， 木星 （质量最大的行星）及其部分或全部卫星可能是最后与白矮星保持引力束缚的行星。如果木星的引力相互作用扰乱了它们，土星、天王星和海王星在极长的时间内被抛射或发生混沌散射的可能性更高。但这些过程可能需要数十亿年甚至数万亿年的时间，因此部分太阳系结构可能会在恒星白矮星冷却阶段持续很长时间。

4. 小天体：小行星、柯伊伯带和奥尔特云

4.1 内带小行星

最多 主带小行星 距离太阳相对较近（约2-4天文单位）。随着时间的推移，质量损失和可能的引力共振可能会使它们的轨道向外移动。然而，如果红巨星包层延伸至1-1.2天文单位附近，它可能不会直接吞噬主小行星带，尽管增强的太阳风和辐射可能会造成额外的散射或碰撞。渐近巨星爆发后，许多小行星可能仍会残留，但与外行星的混沌共振可能会导致一些小行星被抛射出去。

4.2 柯伊伯带、离散盘

这 柯伊伯带 （~30–50 天文单位）和 散布盘 （50-100+ 天文单位）大概能够在太阳巨大膨胀中幸存下来，不会受到包层的物理影响，但它们会感受到恒星质量的下降。它们的轨道会相应扩大，或者可能受到海王星新轨道的额外散射。数十亿年来，宇宙扰动可能会随机地改变或弹射出许多外海王星天体。同样， 奥尔特云 在~数千到 100,000+ 天文单位处，很可能基本不受直接巨型阶段现象的影响，但极易受到经过的恒星和银河潮汐的影响，这可能会散射或解开许多彗星。

4.3 白矮星污染和彗星坠落

在一些白矮星系统中，“金属污染”——WD大气中存在重元素，推测可能来自潮汐扰动的小行星或行星。我们太阳系的最后一颗白矮星可能会偶尔经历跨越洛希极限的残余天体（小行星/彗星）的渗透，将金属沉积到WD大气中。这种现象可能是太阳系碎片的最后一次宇宙回收。

5. 最终解散或存续的时间表

5.1 白矮星冷却

一旦太阳变成白矮星（未来约 75 亿年），它的半径约为地球大小，但质量约为 0.55-0.6 M⊙。温度起初很高（约10万开尔文以上），但在数百亿年甚至数千亿年后逐渐降低。当它变成一颗寒冷的“黑矮星”（理论上如此，因为宇宙的年龄还不足以让任何恒星变成黑矮星）时，行星轨道要么保持稳定，要么被扰乱。

5.2 弹射和飞越

超过1010–1011 几年内，星系中随机发生的近距离恒星交会可能会在几千个天文单位内发生，导致轨道发生碰撞。部分或全部行星和小天体可能会逐渐被剥离到星际空间。如果恒星经过致密区域或疏散星团附近，扰乱会加剧。最终的太阳系残余可能是一颗孤独的白矮星，只有零到几颗幸存的外行星或小行星，甚至根本没有，在星系中漂流。

6. 与已知白矮星系统的类比

6.1 受污染的白矮星

天文学家发现许多白矮星的大气中含有重金属（e.g……（例如钙、镁、铁），它们在强大的引力作用下应该会迅速下沉。这意味着行星碎片会持续坠落。一些白矮星系统还显示出由小行星潮汐扰动产生的尘埃盘。这些观测证实，行星残骸可以很好地束缚在白矮星阶段，偶尔会将物质输送到白矮星上。

6.2 WD系外行星

少数 行星候选者 轨道白矮星已被提出（e.g.，WD 1856+534 b，一颗木星大小的行星，轨道周期为1.4天。这些行星可能在质量损失后向内迁移，或在恒星膨胀中幸存下来。研究此类系统可以为太阳系末期巨行星如何适应或改变轨道提供直接的类比。

7.意义和更广阔的视角

7.1 了解恒星生命周期和行星结构

检查 长期太阳系 演化强调恒星-行星系统在主序星时间尺度之外依然保持动态。行星的命运凸显了普遍现象——质量损失， 轨道扩张， 潮汐阻力——适用于类太阳恒星，表明围绕演化恒星运行的系外行星系统也遵循类似的路径。这一知识为恒星的形成和最终消亡提供了闭环。

7.2 最终的可居住性和疏散概念

关于先进文明如何利用恒星升力或迁移至外层轨道的推测性讨论，试图解决恒星稳定时代之后的生存问题。现实地，从宇宙的角度来看，如果人类或其后代能够延续万古，从地球迁移到土卫六或系外行星或许是唯一的出路。然而，太阳系的演变是不可避免的。

7.3 未来的观察性测试

随着仪器探测到更多受污染的白矮星和可能幸存的系外行星，我们对类地系统命运的预测也更加精准。与此同时，改进的太阳模型详细描述了红巨星包层的膨胀范围和速度，以及质量损失的方式。结合恒星天体物理学、轨道力学和系外行星数据的跨学科研究将继续阐明包括我们自身在内的恒星系统如何过渡到最终状态。

8. 结论

在 长期 （约50亿至80亿年），太阳的 过渡 到 红巨星 和 气相色谱法 阶段触发广泛的 质量损失 以及可能的 吞噬 的 汞， 金星，也许 地球幸存的天体，可能是外层巨星和许多较小的天体，随着太阳质量的减小而向外漂移，最终围绕 白矮星。在未来数十亿年里，偶尔发生的恒星相遇或共振可能会逐渐 分散 太阳系。最终，太阳变成了冰冷、暗淡的残余，曾经繁荣的行星系统陷入部分或全部混乱。

这种情况对于一个太阳质量的恒星来说很典型，凸显了行星宜居窗口的短暂性。对这些最终演化步骤的透彻理解依赖于计算模型、来自高光红巨星的经验数据，以及与……的类比。 受污染的白矮星。因此，虽然地球在稳定主序带时代的有利位置仍在继续，但宇宙时间线提醒我们，没有行星系统是永恒的——太阳系的缓慢消亡是跨越数十亿年的庞大故事的最后一章。

参考文献及延伸阅读

  1. Sackmann，I.-J.，Boothroyd，AI， & Kraemer，KE（1993）。 “我们的太阳。III。现在和未来。” 《天体物理学杂志》， 418，457–468。
  2. 施罗德，K.-P.， & Smith，RC（2008）。 “重温太阳和地球的遥远未来。” 皇家天文学会月刊， 386，155–163。
  3. Villaver，E.， & Livio，M.（2007）。 “行星能在恒星演化过程中存活下来吗？” 《天体物理学杂志》， 661，1192–1201。
  4. Veras，D.（2016 年）。 “后主序列行星系统演化。” 皇家学会开放科学， 3，150571。&
  5. Althaus, LG 等人（2010 年）。 “白矮星的演化。” 天文学 &天体物理学评论， 18，471–566。

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