双星 在遥远的未来,恒星的飞跃或将彻底摧毁太阳系

在遥远的未来,恒星的飞掠将彻底摧毁太阳系。
能量消耗和瓦解
下次当你和一群书呆子待在一起并且想成为聚会的焦点时,可以在交谈中使用这个短语,当他们疑惑的看着你时,你只需说这就是太阳系最终的宿命。
然后调整你的领带,轻抿一口苦艾酒。

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随着你的解释引发的一系列后续问题,你可以深入解释为太阳自身和银河系将会是罪魁祸首,你还可以谈及一项新研究。
研究名为“巨大不平等和外太阳系的动力解体”。其主要负责人是乔恩辛克(JonZink),毕业于加州大学洛杉矶分校天文和天体物理系,该论文被发表在《天文期刊》上。
人类一直都在思考关于太阳系的最终宿命,在论文的引言中,作者写道:“对太阳系动态稳定度的理解成为天体物理学最古老的追求之一,追溯到牛顿自身,他曾经推断出行星之间的相互作用将最终导致天体系统的动荡,”但因为当时微扰理论并不存在,所以连牛顿自己也无法解释清楚。
两百年前,牛顿曾想过星体之间的相互作用是否将最终导致系统的不稳定,但是牛顿领带着身美酒在手了吗?历史学家也无法确定。

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《艾萨克牛顿肖像》(1642—1727)作者为戈弗雷科雷尔
牛顿至少有一部分是正确的,但是决定一个像太阳系一样复杂的系统的未来并不是一件容易的事情,尤其是对一个需要花费数十亿年的时间去呈现的事件进行科学预测。
在这项新研究中,作者开展了一系列所谓的n体模拟,这是天文学和天体物理学中的常用工具。N体模拟是对相互作用粒子的动态系统的模拟,即使在这个情况下,粒子就是行星和太阳。
在几十亿年内,太阳系的关键——太阳——将会发生剧烈的变化。在太阳中发生的氢原子核聚变将会逐渐减少,这也就意味着太阳将会逐渐度过它的主序时期,并进入下一阶段。它将会膨胀成一颗红巨星,并将吞噬水星、金星甚至地球。(火星能否存活尚不确定,但由于它的质量很轻,它的存活与否并不会对大型带外行星产生太大影响。)

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双星|在遥远的未来,恒星的飞跃或将彻底摧毁太阳系
艺术家对类太阳恒星和红巨星的结构的印象(非按比例)。图源:ESO
你可能会问:“一旦地球消失,谁还会去关心接下来会发生什么?为什么要为这些模拟的结果而费心呢?”好吧,或许人类在那时已经移居到太阳系的更远处了呢。但不管我们那时有没有这样做,我们仍需知道太阳系的命运。
当然,随着太阳膨胀成红巨星,它也会开始失去质量。事实上,它可能会在接下来的70亿年左右的时间里失去其一半的质量。质量的损失将会是极具破坏性的,因为这将会使太阳系的行星和其他星体的轨道变得固定。
太阳的膨胀很可能将意味着带内岩质行星的完结。一同完结的,还有人类,或是其遥远的,无法辨认的,在木卫二的海洋里或是其他地方坚守生命的后代。

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随着太阳的演化,它将成为一颗红巨星,并逐步增加它的体积,直到它吞噬了所有带内行星。图源:RoenKelly
如果没有太阳的质量所产生的引力来维系轨道,太阳系的带外行星将会变得不受控制,就像个在苦艾酒派对中呆了五天的贵族一样。它们的轨道行为将会变得既无法预测也不稳定,有可能会飘到更远的太空中去。
目前为止的这些都不是新知识。作者说到:“由于太阳将损失其将近一半的质量,巨行星的轨道将会扩张。”然而,Zink和他的同事想要了解这之后将会发生什么。根据他们的研究,一些行星将会有另一段相对稳定的时期。
这一绝热过程维持着行星运行轨道周期比,但行星之间的相互作用力与平均运动共振幅度的增加,使得木星和土星获得了一个5:2的稳定共振位形。
但是这些有着复杂特性且逐渐被拉伸的轨道,使得均衡状态无法维系。这种缺乏太阳质量锚定效应的新位形很容易受到如作者在文章里提到的“来自恒星飞越时相互作用的扰动”。在他们的模拟实验中,这一点是我们难以想象出来的已经是白矮星的太阳。
因此,在大约30个公转周期内,恒星的接近会使得行星受到扰动并使行星向着5:2共振下的无序子域运行,这会引发大范围的波动,并最终在10个公转周期后导致除一颗行星外的所有行星被迅速弹出轨道。

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