儘管(大多數時候)我們腳下的地面感到堅實而令人放心,但這個宇宙中沒有任何東西可以永遠存在。
有一天,我們的太陽將死,在其核心收縮成白矮星之前,噴射出大部分質量,然後逐漸散發熱量,直到一千億年後,它不再是一塊冷的,黑暗的,死亡的硬塊。
但是到那時,太陽系的其餘部分將不復存在。根據新的模擬,剩下的所有行星只需花一千億年就可以穿越銀河系,將垂死的太陽遠遠甩在後面。
至少數百年來,天文學家和物理學家一直試圖弄明白太陽系的最終命運。
加州大學洛杉磯分校的天文學家喬恩·辛克、加州理工學院的康斯坦丁·巴蒂金和密西根大學的弗雷德·亞當斯在新論文中寫道:"了解太陽系的長期動態穩定性是天體物理學中最古老的追求之一,可追溯到牛頓本人,牛頓本人推測行星之間的相互作用最終將使系統不穩定。」
但這比看起來複雜得多。動力學系統中涉及的、相互交互的物體數量越多,系統的增長就越複雜,並且難以預測。這稱為N體問題。
由於這種複雜性,不可能對某些時間範圍內的太陽系物體的軌道進行確定性的預測。在大約五到一千萬年的時間裡,確定性馬上就消失了。
但是,如果我們能弄清楚太陽系將要發生什麼,那將告訴我們有關宇宙可能如何演化的信息,其時間尺度遠遠超過其目前的138億年年齡。
在1999年,天文學家預測太陽系將在至少10 ^ 18年的時間內緩慢崩塌。他們計算得出,木星和土星的軌道共振要花費多少時間才能使天王星解耦。
不過,根據喬恩·辛克團隊的說法,此計算未包括一些可能會儘快破壞太陽系的重要影響。
在死亡的大約50億年中,太陽將膨脹為紅巨星,吞噬水星、金星和地球。然後它將彈出近一半的質量,被恆星風吹到太空中。剩餘的白矮星將僅佔當前太陽質量的54%。
這種質量損失將放鬆太陽在其餘行星,火星以及外圍的氣體和冰巨星(木星,土星,天王星和海王星)上的引力。
其次,當太陽系繞銀河系繞行時,其他恆星應該足夠接近以擾動行星的軌道,大約每2300萬年一次。
研究人員寫道:「通過考慮恆星的質量損失和外行星軌道的膨脹,這些遭遇將變得更有影響力。」「只要有足夠的時間,這些飛越中的一些就會足夠接近,以使其餘的行星解體或使它們不穩定。」
在計算中考慮了這些額外影響的情況下,該團隊使用功能強大的Shared Hoffman2群集對外部行星進行了10次N體模擬(省去了火星以節省計算成本,因為其影響可以忽略不計)。這些模擬分為兩個階段:直到太陽質量損失的結束,以及隨後的階段。
儘管10次模擬並不是一個強大的統計樣本,但該團隊發現每次都出現類似的情況。
太陽完成向白矮星的演化後,外行星的軌道較大,但仍保持相對穩定。然而,木星和土星以5:2的穩定共振被捕獲——木星每繞太陽公轉五次,土星繞公轉兩次(這種共鳴被多次提出,尤其是艾薩克·牛頓本人提出)。
這些膨脹的軌道以及行星共振的特徵使該系統更容易受到恆星經過時的擾動的影響。
在300億年後,這種恆星擾動將那些穩定的軌道變成了混亂的軌道,導致行星迅速損失。除了一顆行星外,所有行星都逃脫了軌道,像流氓行星一樣逃入銀河系。
最後,寂寞的恆星球還存在500億年,但它的命運已被封印。最終,它也被經過的恆星的引力影響而敲開。最終,到太陽變成白矮星後的1000億年,太陽系就不再存在了。
這比1999年提出的時間要短得多。研究人員仔細地注意到,這取決於當前對當地銀河環境的觀測以及恆星飛越的估計,兩者都可能改變。
即使對太陽系消亡時間表的估計確實發生了變化,但是,距離我們還有漫長的時間,人類生存的時間不足以看不到太陽的死亡。
這項研究已經發表在《天文雜誌》上。