Nieuwe aanwijzingen voor wat er zal gebeuren als de zon de aarde opeet | Quanta-tijdschrift

Het lot van de aarde hangt af van een muntje.

Over 5 miljard jaar zal onze zon uitgroeien tot een rode reuzenster. Of de aarde overleeft is een ‘open vraag’, zegt hij Melinda Soares-Furtado, een astrofysicus aan de Universiteit van Wisconsin, Madison. Zeker, de aarde kan door de zon worden opgeslokt en vernietigd. Maar in sommige scenario's ontsnapt de aarde en wordt ze verder het zonnestelsel in geduwd.

Nu heeft een nabijgelegen planetenstelsel aanwijzingen gegeven voor het kosmische hiernamaals van onze planeet. Op een afstand van ongeveer 57 lichtjaar draaien vier planeten rond een zonachtige ster die 10 miljard jaar oud is – twee keer zo oud als de zon, en zich al in de gevorderde stadia van zijn leven bevindt. Stephen Kane, een astrofysicus die onlangs gespecialiseerd is in de bewoonbaarheid van planeten aan de Universiteit van Californië, Riverside gemodelleerd wat er zou kunnen gebeuren naar de planeten van het oudere systeem wanneer de ster over een miljard jaar een rode reus wordt. Hij ontdekte dat de meeste binnenplaneten zullen worden verzwolgen, maar dat de buitenste bekende planeet, die een baan heeft die vergelijkbaar is met die van Venus, zou kunnen overleven.

De hoge leeftijd van de ster maakt het gemakkelijker om zijn uitdijing te modelleren en biedt een nauwkeurigere voorspelling van de toekomst van ons eigen planetenstelsel. “Het is een heel interessant artikel”, zei hij Jonathon Zink, een astrofysicus aan het California Institute of Technology. “Als we [meer] systemen kunnen vinden in verschillende fasen van de evolutie van sterren, kunnen we waarschijnlijk samenvatten wat er gaat gebeuren.”

Krokante werelden

Wanneer een planeet wordt verzwolgen, kan de dood snel zijn. In 2022, Ricardo Yarza, een stellaire astrofysicus aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, gesimuleerd wat gebeurt er wanneer een rode reus een planeet opslokt. Hij ontdekte dat als de planeet dicht genoeg bij de ster begint, zijn baan snel vervalt. Gas in de atmosfeer van de ster zorgt voor een belemmering voor de planeet, en ‘de planeet zakt steeds dieper in de ster’, zei Yarza. Binnen een paar honderd jaar zullen de meeste planeten vernietigd zijn.

Tot voor kort waren deze laatste momenten van het leven van een gedoemde planeet ‘nooit rechtstreeks waargenomen’, zegt hij Kishalay De, een astronoom aan het Massachusetts Institute of Technology. Maar in 2020 zag het team van De een ster op 12,000 lichtjaar afstand tijdelijk een paar honderd keer helderder worden. De flits was te zwak om afkomstig te zijn van een fusie met een andere ster. Maar het was precies de juiste intensiteit die kon worden geproduceerd door een maaltijd ter grootte van een planeet, aldus De en zijn collega's gerapporteerd in mei.

Het team vermoedde dat een planeet die een paar keer zo zwaar was als Jupiter, ingehaald was toen de 10 miljard jaar oude ster zich begon uit te breiden tot een rode reus. “Dit is de toekomst van ons zonnestelsel”, zei De.

Onze evoluerende ster

Wanneer een hoofdreeksster zoals onze zon – ook wel een G-type ster of gele dwerg genoemd – het einde van zijn leven bereikt, raakt de waterstof op die nodig is om kernfusie in zijn kern aan te drijven. Naarmate de ster zich tot andere brandstofbronnen wendt en massa verliest, wordt de kern heter en zwelt de atmosfeer in de loop van miljoenen jaren op. Uiteindelijk zal onze zon meer dan 200 keer zo breed worden als zijn huidige omvang.

Die aanzwellende zon zal Mercurius en waarschijnlijk Venus verteren, voordat hij zo groot wordt dat hij de baan van de aarde nadert – een afstand die bekend staat als één astronomische eenheid, of AU. Maar het zou nog verder kunnen uitbreiden. “In sommige modellen,” zei Antonino Lanza, een astronoom aan het astrofysisch observatorium van Catania in Italië, “kan het Mars overspoelen.” De grootste onzekerheid, zei hij, ligt in de hoeveelheid massa die de zon zal verliezen naarmate hij ouder wordt; hoe meer het afwerpt, hoe kleiner de uiteindelijke straal zal zijn. “Dat is slecht bekend”, zegt hij.

Voorlopig suggereren onze beste schattingen dat de zon zal groeien tot ergens tussen 0.85 en 1.5 AU. Maar naarmate de ster massa verliest, zal de zwakkere zwaartekracht de baan van de aarde vergroten, wat betekent dat onze planeet aan verzwelging kan ontsnappen.

Om de toekomst van de aarde te zien, wenden astronomen zich tot een kristallen bol gevuld met buitenaardse planetenstelsels. Hun doel is om zonachtige sterren te vinden die binnenkort in rode reuzen zullen uitmonden (of net zijn opgeblazen).

Dat is de reden waarom Rho Coronae Borealis, een nabijgelegen gele dwergster waarvan men denkt dat deze het einde van zijn zonnige leven bereikt, de aandacht van Kane trok. Drie van de vier bekende planeten draaien dicht bij de ster, ruim binnen het pad van Venus rond onze zon. De buitenste planeet, met een jaarduur van 282 dagen, is qua baan vergelijkbaar met Venus.

Kane's analyse, vorige maand gepubliceerd, laat zien dat de groeiende ster de drie binnenplaneten zal overspoelen. De binnenste van deze werelden, waarvan gedacht wordt dat ze rotsachtig zijn en bijna vier maal de massa van de aarde hebben, zullen binnen een paar honderd jaar verdampen. “Het plasma oververhit de planeet en zorgt ervoor dat deze in wezen uiteenvalt,” zei Kane. “Zelfs de rotsen aan de oppervlakte zullen wegsmelten.” De volgende wereld, een gasreus met de massa van Jupiter, is zo groot dat hij naar binnen zal draaien en uiteengereten zal worden door de zwaartekracht van de ster, in plaats van te verdampen. De derde planeet, een kleinere wereld met een massa van Neptunus, zal waarschijnlijk ook worden verzwolgen en verdampt.

Maar de buitenste planeet – die ook ongeveer de massa van Neptunus heeft – kan overleven. Naarmate de ster uitdijt, zal hij de planeet tijdelijk gedurende enkele duizenden jaren overspoelen. Gedurende deze tijd zullen extreme temperaturen het oppervlak van de planeet verbranden, maar de planeet zelf zou moeten overleven omdat de atmosfeer van de ster op deze afstand niet erg dicht is. De ster zal dan opnieuw samentrekken en uitzetten, waardoor de planeet opnieuw duizenden jaren lang zal worden overspoeld. Als de planeet kan overleven als er als een katersmuis mee wordt gespeeld, kan hij uit de atmosfeer tevoorschijn komen terwijl de ster voor de laatste keer krimpt. "Dus het heeft aan het einde een kans om te ontsnappen", zei Kane.

Kane is bijvoorbeeld optimistisch over de kansen van de planeet en wat deze zouden kunnen betekenen voor onze eigen wereld. ‘Ik vermoed dat de aarde naar buiten zal bewegen en zal overleven’, zei hij.

The Great Escape

Als een planeet aan de verzwelging kan ontsnappen, zijn de kansen op een langer leven veelbelovend. Wanneer een ster zoals onze zon uitdijt tot een rode reus en zijn buitenste lagen afwerpt, is het enige dat uiteindelijk overblijft een dicht, witgloeiend stellair lijk dat bekend staat als een witte dwerg. Deze objecten bevatten maar liefst de helft van de massa van de oorspronkelijke ster, samengepakt in een gebied zo groot als de aarde. Ze zouden biljoenen jaren moeten blijven branden.

In de afgelopen twintig jaar hebben wetenschappers een handvol exoplaneten in een baan rond witte dwergen, zei Maria Anna Limbach, een exoplaneetwetenschapper aan de Universiteit van Michigan. Deze planeten overleefden de rode reuzenfase van hun ster, hoewel het niet precies duidelijk is hoe. Sommige werelden – die meestal grotere gasreuzen zijn – waren waarschijnlijk te ver van hun ster verwijderd om te worden ingeslikt, terwijl andere misschien naar buiten zijn geduwd terwijl de ster snoof en blies. (Astronomen hebben ook bewijs gezien dat sommige planeten dat wel waren niet zo gelukkig in de vorm van vervuilde witte dwergen, die rijk zijn aan elementen die verband houden met planeten, zoals magnesium en ijzer.) Voortdurende waarnemingen door de James Webb Space Telescope (JWST) zullen naar verwachting nog tientallen exoplaneten aan het licht brengen die in een baan om witte dwergen draaien.

Hoe ongebruikelijk ze ook lijken, deze planetenstelsels kunnen nog steeds bewoonbaar zijn, zegt Limbach, die leiding geeft aan enkele van de JWST-witte dwergwaarnemingen. “Er is een plek rond een witte dwerg waar je vloeibaar water kunt krijgen” op het oppervlak van een planeet, zei ze. Maar “het is een zeer uitdagende omgeving.”

Meer observaties van geëvolueerde zonnestelsels, en meer modellen zoals die van Kane, zouden meer inzicht kunnen verschaffen in het lot van onze eigen zonnestelsels. Voorlopig is de dood van onze planeet slechts een dobbelsteenworp verwijderd van zekerheid. Mensen zijn misschien al lang verdwenen van het aardoppervlak, maar iedereen die over vijf miljard jaar in onze richting kijkt, zou onze planeet de laatste adem van onze zon kunnen zien uitdrijven – of misschien in een korte lichtflits verdwijnen.

Quanta voert een reeks onderzoeken uit om ons publiek beter van dienst te zijn. Neem onze lezersenquête natuurkunde en je doet mee om gratis te winnen Quanta handelswaar.