Nye ledetråder for hva som vil skje når solen spiser jorden | Quanta Magazine

Jordens skjebne hviler på en myntflipp.

Om 5 milliarder år vil solen vår ballongere til en rød kjempestjerne. Hvorvidt jorden overlever er et "åpent spørsmål," sa Melinda Soares-Furtado, en astrofysiker ved University of Wisconsin, Madison. Jada, jorden kan bli svelget av solen og ødelagt. Men i noen scenarier slipper Jorden og blir presset lenger ut i solsystemet.

Nå har et nærliggende planetsystem gitt ledetråder til planetens kosmiske heretter. Omtrent 57 lysår unna går fire planeter i bane rundt en sollignende stjerne som er 10 milliarder år gammel - dobbelt så gammel som solen, og allerede i avanserte stadier av livet. Stephen Kane, en astrofysiker som spesialiserer seg på planetarisk beboelighet ved University of California, Riverside, nylig modellert hva som kan skje til det eldre systemets planeter når stjernen blir en rød kjempe om en milliard år. Han fant at de fleste av de indre planetene vil bli oppslukt, men at den ytterste kjente planeten, som har en bane som ligner på Venus, kan overleve.

Stjernens høye alder gjør det lettere å modellere utvidelsen og gir en mer nøyaktig prognose for vårt eget planetsystems fremtid. "Det er et veldig interessant papir," sa Jonathan Zink, en astrofysiker ved California Institute of Technology. "Hvis vi kan finne [flere] systemer i forskjellige faser av stjerneutviklingen, kan vi sannsynligvis sette sammen hva som kommer til å skje."

Sprø verdener

Når en planet er oppslukt, kan døden gå raskt. I 2022, Ricardo Yarza, en stjerneastrofysiker ved University of California, Santa Cruz, simulerte hva som skjer når en rød kjempe svelger en planet. Han fant ut at hvis planeten starter nærme nok stjernen, forfaller dens bane raskt. Gass i stjernens atmosfære skaper drag på planeten, og "planeten fortsetter å stupe dypere og dypere inn i stjernen," sa Yarza. I løpet av noen hundre år vil de fleste planetene bli ødelagt.

Inntil nylig hadde disse siste øyeblikkene av en dødsdømt planets liv "aldri blitt observert direkte," sa Kishalay De, en astronom ved Massachusetts Institute of Technology. Men i 2020 så Des team en stjerne 12,000 XNUMX lysår unna midlertidig bli noen hundre ganger lysere. Blitsen var for svak til å ha kommet fra en fusjon med en annen stjerne. Men det var akkurat den rette intensiteten til å ha blitt produsert av et måltid på planetstørrelse, De og kollegene hans rapportert i mai.

Teamet antok at en planet som var noen ganger mer massiv enn Jupiter, hadde blitt fanget opp da den 10 milliarder år gamle stjernen begynte å utvide seg til en rød gigant. "Dette er fremtiden til vårt solsystem," sa De.

Vår utviklende stjerne

Når en hovedsekvensstjerne som vår sol - også kalt en G-type stjerne eller gul dverg - når slutten av livet, går den tom for hydrogenet som trengs for å drive kjernefysisk fusjon i kjernen. Når stjernen vender seg til andre drivstoffkilder og mister masse, blir kjernen varmere, og atmosfæren blåser opp over millioner av år. Til slutt vil solen vår vokse mer enn 200 ganger så bred som dens nåværende størrelse.

Den svulmende solen vil konsumere Merkur og sannsynligvis Venus, før den vokser seg så stor at den nærmer seg jordens bane - en avstand kjent som én astronomisk enhet, eller AU. Men det kan utvides enda mer. "I noen modeller," sa Antonino Lanza, en astronom ved Astrophysical Observatory of Catania i Italia, «det kan oppsluke Mars». Den største usikkerheten, sa han, ligger i hvor mye masse solen vil miste når den eldes; jo mer den faller, jo mindre vil dens endelige radius være. "Det er dårlig kjent," sa han.

Foreløpig antyder våre beste estimater at solen vil vokse til et sted mellom 0.85 og 1.5 AU. Men ettersom stjernen mister masse, vil den svakere tyngdekraften øke jordens bane, noe som betyr at planeten vår kan unnslippe oppslukning.

For å se jordens fremtid vender astronomer seg til en krystallkule fylt med fremmede planetsystemer. Målet deres er å finne sollignende stjerner som snart vil ballongere (eller nettopp har ballongert) til røde kjemper.

Det er derfor Rho Coronae Borealis, en nærliggende gul dvergstjerne som antas å nå slutten av sitt solfylte liv, fanget Kanes oppmerksomhet. Tre av de fire kjente planetene går i bane nær stjernen, godt innenfor Venus’ vei rundt solen vår. Den ytterste planeten, med et år som varer i 282 dager, er lik Venus i bane.

Kanes analyse, publisert forrige måned, viser at den voksende stjernen vil oppsluke de tre indre planetene. Den innerste av disse verdenene, antatt å være steinete og nesten fire ganger jordens masse, vil fordampe innen noen få hundre år. "Plasmaet overoppheter planeten og får den til å brytes ned," sa Kane. "Selv steinene på overflaten vil smelte bort." Den neste verdenen ut, en gasskjempe med Jupitermasse, er så stor at den vil spiral innover og bli revet i stykker av stjernens tyngdekraft, i stedet for å fordampe. Den tredje planeten, en mindre Neptun-masseverden, vil sannsynligvis også bli oppslukt og fordampet.

Men den ytterste planeten – også omtrent Neptuns masse – kan overleve. Når stjernen utvider seg, vil den midlertidig oppsluke planeten i flere tusen år. I løpet av denne tiden vil ekstreme temperaturer brenne planetens overflate, men selve planeten bør overleve fordi stjernens atmosfære ikke er veldig tett på denne avstanden. Stjernen vil deretter trekke seg sammen og utvide seg igjen, og igjen oppsluke planeten i flere årtusener. Hvis planeten kan overleve å bli lekt med som en kattemus, kan den dukke opp fra atmosfæren mens stjernen krymper for en siste gang. "Så det har en mulighet helt på slutten til å rømme," sa Kane.

Kane, for en, er glad for planetens sjanser og hva de kan bety for vår egen verden. "Jeg mistenker at jorden vil bevege seg utover, og den vil overleve," sa han.

The Great Escape

Hvis en planet kan unnslippe oppslukning, er sjansene for et lengre liv lovende. Når en stjerne som solen vår utvider seg til en rød gigant og kaster de ytre lagene, er til slutt det eneste som er igjen et tett, hvitglødende stjernelik kjent som en hvit dverg. Disse objektene inneholder så mye som halvparten av massen til den opprinnelige stjernen, pakket inn i et område på størrelse med Jorden. De bør fortsette å brenne i billioner av år.

I løpet av de siste to tiårene har forskere funnet en håndfull eksoplaneter kretsende hvite dverger, sa Mary Anne Limbach, en eksoplanetforsker ved University of Michigan. Disse planetene overlevde stjernens røde kjempefase, selv om det ikke er klart nøyaktig hvordan. Noen av verdenene – som pleier å være større gassgiganter – var sannsynligvis for langt fra stjernen deres til å bli svelget, mens andre kan ha blitt skjøvet utover mens stjernen huffet og pustet. (Astronomer har også sett bevis på at noen planeter var det ikke så heldig i form av forurensede hvite dverger, som er rike på elementer assosiert med planeter, som magnesium og jern.) Pågående observasjoner av James Webb Space Telescope (JWST) forventes å vise flere titalls flere eksoplaneter som kretser rundt hvite dverger.

Så uvanlige som de kan virke, kan disse planetsystemene fortsatt være beboelige, sa Limbach, som leder noen av JWST-observasjonene av hvit dverg. "Det er et sted rundt en hvit dverg hvor du kan få flytende vann" på en planets overflate, sa hun. Men "det er et veldig utfordrende miljø."

Flere observasjoner av utviklede solsystemer, og flere modeller som Kane's, kan gi større innsikt i vår egen skjebne. Foreløpig er planetens død et terningkast bort fra sikkerhet. Mennesker er kanskje for lengst borte fra jordoverflaten, men alle som ser i vår retning 5 milliarder år fra nå, kan se planeten vår ri ut solens døende pust – eller kanskje forsvinne i et kort lysglimt.

Quanta gjennomfører en serie undersøkelser for å tjene publikum bedre. Ta vår fysikk leserundersøkelse og du vil bli registrert for å vinne gratis Quanta handelsvarer.