當太陽最終變成紅巨星時,地球會被太陽吞噬?

我們可以問一些關於宇宙的存在的問題，這些問題不僅會讓我們超越人類的極限，而且會超越地球上的生命。隨著時間的推移，太陽會變熱，核聚變的速度會加快，最終輸出的能量會達到地球海洋沸騰的程度。再過10億或20億年，這可能會使地球上的生命完全湮滅。

圖註：該插圖是對HD 189733 b的描述，一個被它的母星吞噬的行星。當太陽開始膨脹成為一個紅巨星時，它幾乎肯定會吞下水星，然後吞下金星，但地球的命運還遠未確定。再過40到50億年後，太陽將膨脹成一個紅巨星，進入其演化的下一階段。當這種情況發生時，水星和金星肯定會被吞噬，但地球呢？地球會僅僅是在太陽的外殼內運行，還是會被太陽吞噬？

這是一個非常吸引人的問題，我們還不能完全確定h答案。這是我們目前所知道的。

圖註：八大行星的軌道在偏心率和近日點（最接近點）與遠日點（最遠距離）相對於太陽的差異上有所不同。為什麼有些行星會或多或少地彼此偏心，這並沒有特殊的原因；這只是太陽系形成的初始條件的結果。在海王星軌道之外的是柯伊伯帶，緊接著是奧爾特雲，有一些（但不是壓倒一切）的證據指出可能存在的「行星九」。我們大多數人——無論是科學家還是非科學家——頭腦中都有一個相對準確的太陽系圖像。太陽位於中心，由四顆內巖石行星環繞，每顆行星都以穩定的橢圓軌道運行。在那之後是小行星帶，一個小質量（相對於行星）的大集合，它們被引力相互作用互相碰撞，在那裡它們要麼撞到太陽，要麼從太陽系中彈出，要麼被擾動到其他軌道上。

在小行星帶的另一邊是四個氣態巨行星，它們也以穩定的橢圓軌道運行，並有自己的衛星系統圍繞它們運行。最外層的海王星，是柯伊伯帶的守護者，柯伊伯帶可能包含也可能不包含行星9，之後是奧爾特雲。

圖註：如果其他一切都失敗了，我們可以肯定，太陽的演化將導致地球上所有生命的死亡。早在太陽到達紅巨星階段之前，恆星的演化就將導致太陽的亮度顯著增加，足以使地球上的海洋沸騰，這必將導致人類消亡，也許地球上還會倖存生命。太陽大小的確切增長率，以及它在各個階段的質量損失細節，仍不完全清楚。同樣地，我們認為我們了解太陽，我們的太陽系的錨定，將如何隨著時間的推移演變。在它的核心，它在核連鎖反應中把氫熔化成氦。最終的結果是，每四個氫原子熔合成一個氦原子，0.7%的預熔合質量通過愛因斯坦著名的關係式E=mc^2轉化成能量。

每次發生核聚變反應，堆芯都會損失一些潛在的氫燃料，導致其輕微收縮和升溫。這種微小的變化導致核聚變發生的區域緩慢擴展，聚變率增加。在數十億年的時間尺度上，太陽的能量輸出不斷增加，直到核心完全耗盡氫燃料，導致其收縮、升溫，最終點燃氦聚變。大約在這個時候，太陽的外層膨脹，導致它轉變成一顆紅色巨星。

圖註：今天的太陽與紅巨星相比非常小，但會增長到紅巨星階段，大約250倍於目前的大小。像心宿二或參宿四這樣的可怕的超級巨星將永遠超出我們的太陽的能力範圍，因為太陽永遠不會開始將碳融合在核心中，熔合碳是增長到這個規模的必要步驟。這是我們太陽系隨時間演化的基本模型。當太陽膨脹成一個紅巨星時，它的外層變得更加脆弱，並將被完全吹離太陽系，導致太陽失去質量。當太陽系中的中心引力物體質量下降時，行星傾向於向外旋轉，因為它們在引力上保持得更鬆散。特別是目前距太陽平均約1.5億公裡的地球，其軌道距離將與太陽的質量損失成比例增加。

但太陽的體積也會增大，如果它對一顆繞軌道運行的行星造成太大的阻力，那顆行星就會自轉進入太陽。我們應該考慮的一個大問題是，在這兩個相互競爭的過程中，哪一個將為每一個星球贏得勝利？最直接的計算方法是計算質量損失率、軌道外旋率和太陽半徑作為時間的函數，然後看看會發生什麼。

圖註：這顆古老的玉夫座巨星R的周圍的螺旋結構是由於當它經歷AGB階段時，巨星的風吹散了恆星的外層，在AGB階段產生並捕獲了大量的中子（來自碳-13+氦-4核聚變）。螺旋模式可能指向一個雙星系統：我們的太陽不具備的東西。克勞斯·彼得·施洛德（Klaus Peter Schroder）和羅伯特·史密斯（Robert C. Smith）於2008進行了這方面最新的綜合性工作，他們發現，從現在開始大約76億年後，太陽將失去目前質量的33%。這將導致地球的軌道顯著膨脹，與太陽的剩餘質量成比例。雖然水星和金星將被膨脹的太陽吞沒，但地球不會。

然而，地球也經歷了來自巨大太陽的潮汐相互作用，地球的一部分經歷了來自另一部分的不同淨力，這導致地球失去一些額外的軌道角動量。有些科學家認為：

「儘管太陽質量損失產生了積極的影響，但地球將無法逃脫太陽的吞噬。為了在太陽到達紅巨星階段倖存下來，任何假設的行星都需要目前最小軌道半徑約為1.15 AU。」

換句話說，火星是絕對安全的，但地球應該被太陽吞噬。

太陽系

當然，這個結論只有在我們對太陽系和太陽的所有假設都是絕對正確的情況下才是有效的，而事實上它們可能不是。我們需要挑戰的第一個假設是行星以穩定的橢圓軌道運行。如果牛頓引力是絕對正確的，而且我們只有一顆行星繞著一個像太陽一樣的點運行，情況就是這樣。但是在太陽系中，天體的大小是真實的、有限的，並且有多個物體相互牽引，這些軌道就會變得混亂，並會隨著時間而演化。

根據華威大學的科學家迪米特裡·維拉斯（Dimitri Veras），他專門研究太陽系的演化，大約有1%的機率，四個內行星中的一個或多個會因為它們之間的相互引力拖拽，而使它們的軌道變得不穩定。他解釋說：「如果行星在這個階段存活下來，那麼當太陽離開主序列時，它將吞下水星和金星，也許還有地球。火星會存活下來，但它的表面會發生變化，脆弱的大氣層可能會被切斷。」

圖註：圖中所示的行星狀星雲NGC 2440顯示了一顆垂死的紅巨星生命最後階段噴出的大量物質。在模擬太陽在主序階段以外的演化過程中存在的不確定性太大，無法確定地得出關於行星地球生存能力的結論。為什麼，如果早前對薛丁格和史密斯的研究聲稱地球將最終被吞沒，我們對地球就不再那麼確定了？這是因為一個動態的、不斷變化的環境會給系統帶來混亂，這使得我們星球的命運變得不確定。特別是，三個不同的因素髮揮了作用，目前沒有一個因素得到充分的模擬或理解：

即使這四顆行星都能存活到太陽進入紅巨星階段，它們的軌道距離比率也會隨著太陽的膨脹而保持不變，直到水星被吞沒為止。在那一點上，剩下的行星可能會無序演化，這可能導致地球被提升到一個更高、更安全的軌道。太陽失去質量和半徑增長的速度有很大的不確定性，這可能對進化模型產生重大影響。而且——造成最大的不確定性——影響我們星球軌道的潮汐力需要得到更好地理解。根據維拉斯說法，「許多潮汐模型存在，並且不存在哪一個是最準確或可行的使用的共識。」

圖註：我們太陽系的對數視圖，一直延伸到最近的恆星，顯示了小行星帶、柯伊伯帶和奧爾特雲的範圍。最近的研究表明，超過10000 AU的每一個天體，也許大多數在1000 AU到10000 AU之間的天體，都無法在太陽演化的後期存活下來，而其內部的許多天體也可能無法存活下來。只有當我們考慮內部太陽系的演化，而不包括外部太陽系中發生的任何動力學的影響時，我們才會這樣做。這項工作是維拉斯的專長，正如他在2012幫助論證的那樣，幾乎整個奧爾特雲都無法在太陽的恆星演化的最後階段生存，而在2016，當他表明行星九的存在或不存在會顯著改變柯伊伯帶甚至三的太陽系氣體巨星的命運。（只有在行星九存在的情況下，木星才有保障。）

為了知道行星地球是否能夠存活，我們需要確定並使用正確的潮汐公式，來模擬太陽系和太陽自身隨著時間的推移而演化時，太陽和地球之間的相互作用。正如維拉斯所說，「對於地球的命運，肯定需要進行更詳細的研究：不僅要研究地球是否會被吞噬，還要研究當太陽離開主序列時，地球內部、表面和大氣將如何變化。」

圖註：當太陽變成一個真正的紅巨星時，地球本身可能會被吞噬，但絕對會被前所未有的烤熟。太陽外層將膨脹到目前直徑的100倍以上，但其演化的確切細節，以及這些變化將如何影響行星的軌道，仍有很大的不確定性。在紅巨星階段結束時，太陽預計會拋出大部分剩餘的外層，而核心區域收縮形成白矮星：一個主要由碳和氧組成的恆星殘骸。然而，至於太陽系中還有什麼東西，最近的研究留下了一些懸而未決的問題。

水星和金星肯定會被吞沒；奧爾特雲中的大部分（但可能不是全部）將脫離太陽系，逃逸到星系際介質中。這是推測性的，但似乎是可信的，最近的星際訪客2I/Borisov可能會將其起源追溯到另一個演化成紅巨星的恆星系統。然而，我們幾乎沒有理由對地球的命運充滿信心；除非我們有一個更好的太陽演化模型，否則情況應該仍然如此。雖然木星肯定會倖存下來，但剩下的行星的命運取決於行星九的存在和性質，其不確定性如此之大，以至於目前還不能得出明確的結論。

圖註：當質量較低的類太陽恆星耗盡燃料時，它們會在行星狀星雲中吹掉外層，但中心收縮形成白矮星，這需要很長時間才能褪去黑暗。這需要很長時間才能消失在黑暗中。我們的太陽將生成的行星狀星雲應該完全消失，在大約95億年之後，只剩下白矮星和我們的殘餘行星。地球的軌道穩定性問題，即使它能存活這麼久，也不能保證。也許更令人不安的是：即使地球在紅巨星階段倖存下來，並進入一個圍繞殘餘白矮星的穩定軌道，我們的星球本身仍有可能被摧毀。考慮到至少木星將繼續存在，並且可能存在其他一些質量，這些天體之間的相互作用可能會干擾地球向白矮星靠近，在白矮星上，我們星球的徹底毀滅仍然是一個可行的潛在結果。

我們太陽肯定會變成一個紅巨星，如果不提前噴射，地球會向外旋轉，水星和金星會被完全吞沒，而太陽系最外層的大多數物體將變得不受束縛。但目前太陽演化的不確定性和我們所擁有的天體的相互影響太大，無法確定我們最終的命運。