Uusia vihjeitä siitä, mitä tapahtuu, kun aurinko syö maan | Quanta-lehti

Maan kohtalo lepää kolikonheitossa.

Viiden miljardin vuoden kuluttua aurinkomme muuttuu punaiseksi jättiläistähdeksi. Se, selviääkö maapallo, on "avoin kysymys", sanoi Melinda Soares-Furtado, astrofyysikko Wisconsinin yliopistosta, Madisonista. Toki aurinko voi niellä Maan ja tuhota. Mutta joissakin skenaarioissa Maa pakenee ja työnnetään kauemmas aurinkokuntaan.

Nyt lähellä oleva planeettajärjestelmä on tarjonnut vihjeitä planeettamme kosmisesta tulevaisuudesta. Noin 57 valovuoden päässä neljä planeettaa kiertää auringon kaltaista tähteä, joka on 10 miljardia vuotta vanha – kaksi kertaa aurinkoa vanhempi ja jo pitkälle edennyt. Stephen Kane, planeettojen asutettavuuteen erikoistunut astrofyysikko Kalifornian yliopistossa Riversidessa äskettäin mallinneet mitä voisi tapahtua vanhemman järjestelmän planeetoille, kun tähdestä tulee punainen jättiläinen miljardissa vuodessa. Hän havaitsi, että suurin osa sisäplaneetoista nielaistyy, mutta uloin tunnettu planeetta, jonka kiertorata on samanlainen kuin Venuksen, saattaa selviytyä.

Tähden pitkä ikä helpottaa sen laajenemisen mallintamista ja tarjoaa tarkemman ennusteen oman planeettajärjestelmämme tulevaisuudesta. "Se on erittäin mielenkiintoinen lehti", sanoi Jonathon Zink, astrofyysikko California Institute of Technologyssa. "Jos löydämme [lisää] järjestelmiä tähtien evoluution eri vaiheissa, voimme luultavasti koota, mitä [tapahtuu]."

Rapeat maailmat

Kun planeetta niellään, kuolema voi olla nopea. Vuonna 2022, Ricardo Yarza, tähtiastrofyysikko Kalifornian yliopistosta Santa Cruzista, simuloi mitä tapahtuu kun punainen jättiläinen nielee planeetan. Hän havaitsi, että jos planeetta lähtee tarpeeksi läheltä tähteä, sen kiertorata rappeutuu nopeasti. Kaasu tähden ilmakehässä aiheuttaa vastusta planeetalla, ja "planeetta syöksyy jatkuvasti syvemmälle ja syvemmälle tähteen", Yarza sanoi. Muutaman sadan vuoden sisällä suurin osa planeetoista tuhoutuu.

Viime aikoihin asti näitä tuhoon tuomitun planeetan elämän viimeisiä hetkiä "ei ollut koskaan havaittu suoraan", sanoi Kishalay De, tähtitieteilijä Massachusetts Institute of Technologyssa. Mutta vuonna 2020 De:n tiimi näki 12,000 XNUMX valovuoden päässä olevan tähden muuttuvan väliaikaisesti muutama sata kertaa kirkkaammaksi. Salama oli liian himmeä ollakseen peräisin yhdistymisestä toisen tähden kanssa. Mutta se oli juuri oikea intensiteetti, joka oli tuotettu planeetan kokoisella aterialla, De ja hänen kollegansa raportoitu toukokuussa.

Ryhmä arveli, että planeetta, joka oli Jupiteria muutaman kerran massiivisempi, oli joutunut kiinni, kun 10 miljardia vuotta vanha tähti alkoi laajentua punaiseksi jättiläiseksi. "Tämä on aurinkokuntamme tulevaisuus", De sanoi.

Meidän kehittyvä tähtemme

Kun aurinkomme kaltainen pääsarjan tähti - jota kutsutaan myös G-tyypin tähdeksi tai keltaiseksi kääpiöksi - saavuttaa elämänsä lopun, sen vety loppuu, jota tarvitaan ydinfuusion toimittamiseen sen ytimessä. Kun tähti kääntyy muihin polttoainelähteisiin ja menettää massaa, sen ydin lämpenee ja sen ilmakehä paisuu miljoonien vuosien aikana. Lopulta aurinkomme kasvaa yli 200 kertaa nykyistä kokoaan leveämmäksi.

Tuo paisuva aurinko kuluttaa Merkuriuksen ja luultavasti Venuksen, ennen kuin se kasvaa niin suureksi, että se lähestyy Maan kiertorataa - etäisyyttä, joka tunnetaan yhtenä tähtitieteellisenä yksikkönä tai AU:na. Mutta se voisi laajentua entisestään. "Joissakin malleissa", sanoi Antonino Lanza, tähtitieteilijä Catanian Astrophysical Observatoryssa Italiassa, "se voi nielaista Marsin". Suurin epävarmuus hänen mukaansa on siinä, kuinka paljon massaa aurinko menettää ikääntyessään; mitä enemmän se irtoaa, sitä pienempi sen lopullinen säde on. "Se on huonosti tunnettu", hän sanoi.

Tällä hetkellä parhaat arviomme viittaavat siihen, että aurinko kasvaa jonnekin 0.85 ja 1.5 AU:n välille. Mutta kun tähti menettää massaa, heikompi painovoima lisää Maan kiertorataa, mikä tarkoittaa, että planeettamme voi välttyä nielaiselta.

Nähdäkseen Maan tulevaisuuden tähtitieteilijät kääntyvät kristallipallon puoleen, joka on täynnä vieraita planeettajärjestelmiä. Heidän tavoitteenaan on löytää auringonkaltaisia ​​tähtiä, jotka pian ilmapallot (tai ovat juuri nousseet) punaisiksi jättiläisiksi.

Siksi Rho Coronae Borealis, lähellä oleva keltainen kääpiötähti, jonka uskotaan saavuttavan aurinkoisen elämänsä loppua, kiinnitti Kanen huomion. Kolme sen neljästä tunnetusta planeettasta kiertää lähellä tähteä, reilusti Venuksen polun sisällä aurinkomme ympärillä. Syrjäisin planeetta, jonka vuosi kestää 282 päivää, on samanlainen kiertoradalla kuin Venus.

Kanen analyysi, julkaistu viime kuussa, osoittaa, että kasvava tähti nielaisee kolme sisäistä planeettaa. Näistä sisin maailmoista, joiden uskotaan olevan kivinen ja lähes neljä kertaa Maan massa, haihtuu muutamassa sadassa vuodessa. "Plasma ylikuumentaa planeetan ja saa sen olennaisesti hajoamaan", Kane sanoi. "Jopa pinnalla olevat kivet sulavat pois." Seuraava maailma, Jupiter-massainen kaasujättiläinen, on niin suuri, että se kiertyy sisäänpäin ja hajoaa tähden painovoiman vaikutuksesta sen sijaan, että se haihtuisi. Kolmas planeetta, pienempi Neptunuksen massainen maailma, myös todennäköisesti nielaistyy ja haihtuu.

Mutta uloin planeetta – myös suunnilleen Neptunuksen massa – saattaa selviytyä. Kun tähti laajenee, se nielaisee planeetan tilapäisesti useiksi tuhansiksi vuosiksi. Tänä aikana äärimmäiset lämpötilat paahtavat planeetan pintaa, mutta planeetan itsensä pitäisi selviytyä, koska tähden ilmakehä ei ole kovin tiheä tällä etäisyydellä. Sen jälkeen tähti supistuu ja laajenee jälleen, ja se nielaisee planeetan jälleen useiden vuosituhansien ajan. Jos planeetta selviää siitä, että sillä leikillään kuin tomkissahiiri, se voi sitten nousta ilmakehästä tähden kutistuessa viimeisen kerran. "Sillä on siis mahdollisuus aivan lopussa paeta", Kane sanoi.

Kane on esimerkiksi tietävä planeetan mahdollisuuksista ja siitä, mitä ne voivat tarkoittaa omalle maailmallemme. "Epäilen, että maapallo liikkuu ulospäin ja selviää", hän sanoi.

The Great Escape

Jos planeetta voi välttyä nielaiselta, sen mahdollisuudet pidempään elämään ovat lupaavat. Kun aurinkomme kaltainen tähti laajenee punaiseksi jättiläiseksi ja luopuu ulkokerroksistaan, lopulta jäljelle jää vain tiheä, valkokuuma tähtiruumis, joka tunnetaan valkoisena kääpiönä. Nämä esineet sisältävät jopa puolet alkuperäisen tähden massasta, pakattuna Maan kokoiselle alueelle. Niiden pitäisi jatkaa palamista biljoonien vuosien ajan.

Kahden viime vuosikymmenen aikana tutkijat ovat löytäneet a kourallinen eksoplaneettoja kiertäviä valkoisia kääpiöitä, sanoi Mary Anne Limbach, eksoplaneettojen tutkija Michiganin yliopistosta. Nämä planeetat selvisivät tähtensä punaisen jättiläisen vaiheesta, vaikka ei olekaan selvää, miten. Jotkut maailmoista – jotka ovat yleensä suurempia kaasujättiläisiä – olivat luultavasti liian kaukana tähdestään nieltäväksi, kun taas toiset ovat saatettu työntyä ulospäin, kun tähti huokaisi ja puhalsi. (Astronomit ovat myös nähneet todisteita siitä, että jotkut planeetat olivat ei niin onnekas muodossa saastuneita valkoisia kääpiöitä, jotka sisältävät runsaasti planeetoihin liittyviä alkuaineita, kuten magnesiumia ja rautaa.) James Webbin avaruusteleskoopin (JWST) jatkuvan havainnoinnin odotetaan löytävän kymmeniä lisää valkoisia kääpiöitä kiertäviä eksoplaneettoja.

Niin epätavallisilta kuin ne näyttävätkin, nämä planeettajärjestelmät voivat silti olla asumiskelpoisia, sanoi Limbach, joka johtaa joitain JWST:n valkoisen kääpiön havaintoja. "Valkoisen kääpiön ympärillä on paikka, josta voit saada nestemäistä vettä" planeetan pinnalle, hän sanoi. Mutta "se on erittäin haastava ympäristö".

Lisää havaintoja kehittyneistä aurinkojärjestelmistä ja enemmän malleja, kuten Kanen, voisi tarjota paremman käsityksen omasta kohtalostamme. Toistaiseksi planeettamme kuolema on nopanheitto pois varmuudesta. Ihmiset voivat olla kauan poissa Maan pinnalta, mutta jokainen, joka katsoo suuntaanmme 5 miljardin vuoden kuluttua, saattaa nähdä planeettamme ratsastavan aurinkomme kuolevan hengityksen ohi – tai kenties katoavan lyhyessä valon välähdyksessä.

Quanta tekee sarjan kyselyjä palvellakseen paremmin yleisöämme. Ota meidän fysiikan lukijakysely ja pääset mukaan voittamaan ilmaiseksi Quanta kauppatavaraa.