Nya ledtrådar för vad som kommer att hända när solen äter jorden | Quanta Magazine

Jordens öde vilar på ett myntkast.

Om 5 miljarder år kommer vår sol att bli en röd jättestjärna. Huruvida jorden överlever är en "öppen fråga", sa Melinda Soares-Furtado, en astrofysiker vid University of Wisconsin, Madison. Visst, jorden kan sväljas av solen och förstöras. Men i vissa scenarier flyr jorden och trycks längre ut i solsystemet.

Nu har ett närliggande planetsystem erbjudit ledtrådar till vår planets kosmiska härefter. Cirka 57 ljusår bort kretsar fyra planeter om en solliknande stjärna som är 10 miljarder år gammal - dubbelt så gammal som solen och redan i de avancerade stadierna av sitt liv. Stephen Kane, en astrofysiker specialiserad på planetarisk beboelighet vid University of California, Riverside, nyligen modellerat vad som kan hända till det äldre systemets planeter när stjärnan blir en röd jätte på en miljard år. Han fann att de flesta av de inre planeterna kommer att uppslukas, men att den yttersta kända planeten, som har en omloppsbana som liknar Venus, kan överleva.

Stjärnans höga ålder gör det lättare att modellera dess expansion och ger en mer exakt prognos för vårt eget planetsystems framtid. "Det är en mycket intressant tidning," sa Jonathan Zink, en astrofysiker vid California Institute of Technology. "Om vi ​​kan hitta [fler] system i olika faser av stjärnutvecklingen, kan vi förmodligen pussla ihop vad som kommer att hända."

Krispiga världar

När en planet är uppslukad kan döden gå snabbt. År 2022, Ricardo Yarza, en stjärnastrofysiker vid University of California, Santa Cruz, simulerade vad som händer när en röd jätte sväljer en planet. Han fann att om planeten börjar tillräckligt nära stjärnan så avtar dess omloppsbana snabbt. Gas i stjärnans atmosfär skapar ett drag på planeten, och "planeten fortsätter att störta djupare och djupare in i stjärnan", sa Yarza. Inom några hundra år kommer de flesta planeter att förstöras.

Tills nyligen hade dessa sista ögonblicken av en dödsdömd planets liv "aldrig observerats direkt", sa det Kishalay De, en astronom vid Massachusetts Institute of Technology. Men 2020 såg Des team en stjärna 12,000 XNUMX ljusår bort tillfälligt bli några hundra gånger ljusare. Blixten var för svag för att ha kommit från en sammanslagning med en annan stjärna. Men det var precis rätt intensitet att ha producerats av en måltid i planetstorlek, De och hans kollegor rapporterade i maj.

Teamet förmodade att en planet som var några gånger mer massiv än Jupiter hade fångats upp när den 10 miljarder år gamla stjärnan började expandera till en röd jätte. "Detta är framtiden för vårt solsystem," sa De.

Vår utvecklande stjärna

När en huvudsekvensstjärna som vår sol - även kallad en stjärna av G-typ eller gul dvärg - når slutet av sitt liv, tar den slut på det väte som behövs för att driva kärnfusion i dess kärna. När stjärnan vänder sig till andra bränslekällor och förlorar massa, blir dess kärna varmare och dess atmosfär blåser upp under miljontals år. Så småningom kommer vår sol att växa mer än 200 gånger så bred som sin nuvarande storlek.

Den svällande solen kommer att förbruka Merkurius och förmodligen Venus, innan den växer så stor att den närmar sig jordens omloppsbana - ett avstånd som kallas en astronomisk enhet eller AU. Men det kan expandera ännu mer. "I vissa modeller," sa Antonino Lanza, en astronom vid det astrofysiska observatoriet i Catania i Italien, "det kan uppsluka Mars." Den största osäkerheten, sa han, ligger i hur mycket massa solen kommer att förlora när den åldras; ju mer den tappar, desto mindre blir dess slutliga radie. "Det är dåligt känt", sa han.

För närvarande tyder våra bästa uppskattningar på att solen kommer att växa till någonstans mellan 0.85 och 1.5 AU. Men när stjärnan tappar massa, kommer den svagare tyngdkraften att öka jordens omloppsbana, vilket innebär att vår planet kan undkomma uppslukning.

För att se jordens framtid vänder sig astronomer till en kristallkula fylld med främmande planetsystem. Deras mål är att hitta sollika stjärnor som snart kommer att ballongera (eller precis har ballongerat) till röda jättar.

Det var därför Rho Coronae Borealis, en närliggande gul dvärgstjärna som tros nå slutet av sitt soliga liv, fångade Kanes uppmärksamhet. Tre av dess fyra kända planeter kretsar nära stjärnan, långt inom Venus väg runt vår sol. Den yttersta planeten, med ett år som varar 282 dagar, liknar Venus i omloppsbana.

Kanes analys, publicerad förra månaden, visar att den växande stjärnan kommer att uppsluka de tre inre planeterna. Den innersta av dessa världar, som tros vara stenig och nästan fyra gånger jordens massa, kommer att avdunsta inom några hundra år. "Plasman överhettar planeten och får den att i huvudsak bryta ner," sa Kane. "Till och med stenarna på ytan kommer att smälta bort." Nästa värld, en gasjätte med Jupitermassa, är så stor att den kommer att spiralera inåt och slitas isär av stjärnans gravitation, snarare än att förångas. Den tredje planeten, en mindre Neptunus-massvärld, kommer sannolikt också att uppslukas och avdunsta.

Men den yttersta planeten — också ungefär Neptunus massa — kan överleva. När stjärnan expanderar kommer den tillfälligt att uppsluka planeten i flera tusen år. Under denna tid kommer extrema temperaturer att rosta planetens yta, men planeten själv borde överleva eftersom stjärnans atmosfär inte är särskilt tät på detta avstånd. Stjärnan kommer då att dra ihop sig och expandera ännu en gång och återigen uppsluka planeten i flera årtusenden. Om planeten kan överleva att lekas med som en kattmus, kan den komma upp ur atmosfären när stjärnan krymper för en sista gång. "Så det har en möjlighet precis i slutet att fly," sa Kane.

Kane, för en, är glad om planetens chanser och vad de kan betyda för vår egen värld. "Jag misstänker att jorden kommer att röra sig utåt och att den kommer att överleva," sa han.

Den stora flykten

Om en planet kan undkomma uppslukning är dess chanser för ett längre liv lovande. När en stjärna som vår sol expanderar till en röd jätte och fäller sina yttre lager, är det så småningom det enda som finns kvar ett tätt, glödhett stjärnlik känt som en vit dvärg. Dessa föremål innehåller så mycket som hälften av den ursprungliga stjärnans massa, packade i ett område lika stort som jorden. De borde fortsätta brinna i biljoner år.

Under de senaste två decennierna har forskare funnit en handfull exoplaneter kretsande vita dvärgar, sa Mary Anne Limbach, en exoplanetforskare vid University of Michigan. Dessa planeter överlevde sin stjärnas röda jättefas, även om det inte är klart exakt hur. Vissa av världarna – som tenderar att vara större gasjättar – var förmodligen för långt från sin stjärna för att kunna sväljas, medan andra kan ha tryckts utåt när stjärnan svällde och svällde. (Astronomer har också sett bevis på att vissa planeter var det inte så tur i form av förorenade vita dvärgar, som är rika på element associerade med planeter, som magnesium och järn.) Pågående observationer av James Webb Space Telescope (JWST) förväntas visa upp dussintals fler exoplaneter som kretsar kring vita dvärgar.

Så ovanliga som de kan verka kan dessa planetsystem fortfarande vara beboeliga, sa Limbach, som leder några av JWST-observationerna av vit dvärg. "Det finns en plats runt en vit dvärg där du kan få flytande vatten" på en planets yta, sa hon. Men "det är en mycket utmanande miljö."

Fler observationer av utvecklade solsystem, och fler modeller som Kanes, skulle kunna ge större insikt om vårt eget öde. För närvarande är vår planets död ett tärningskast bort från visshet. Människor kan för länge sedan vara borta från jordens yta, men den som tittar i vår riktning om 5 miljarder år från nu kan se vår planet rida ut vår sols döende andetag - eller kanske försvinna i en kort ljusblixt.

Quanta genomför en serie undersökningar för att bättre betjäna vår publik. Ta vår fysikläsarundersökning och du kommer att delta för att vinna gratis Quanta handelsvaror.