我是斜杠青年，一個(gè)熱愛自然科學(xué)的“雜食性”學(xué)者！

我們的太陽(yáng)系即將離開。慢慢地。在未來(lái)數(shù)十億年里，將發(fā)生一系列不幸的事件，從不太偉大的事件到真正悲慘的事件。之后，我們的太陽(yáng)系將消失：所有的行星都將消失，太陽(yáng)將成為一個(gè)孤獨(dú)的白矮星。

我將一步一步地指導(dǎo)我們度過太陽(yáng)系的未來(lái)。由于地球是我們的基地，根據(jù)科學(xué)預(yù)測(cè)，我將包括一個(gè)影響地球上生命的關(guān)鍵事件娓娓道來(lái)。以下是即將到來(lái)的五個(gè)步驟：

1.地球的海洋將沸騰。

2.巖石行星的軌道可能會(huì)不穩(wěn)定，導(dǎo)致行星之間潛在的巨星碰撞。

3.太陽(yáng)將成為一顆紅巨星，吞噬巖石行星。

4.一顆經(jīng)過的恒星將引發(fā)剩余行星之間的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定。

5.一顆路過的恒星將剝離最后一顆行星。

除了第2個(gè)步驟（概率相對(duì)較?。┩?，每個(gè)事件都會(huì)發(fā)生，幾乎可以肯定。但大約需要1000億年才能走到盡頭。

地球上液態(tài)水（和生命）的終結(jié)

太陽(yáng)升溫得越來(lái)越慢。今天，它比它形成后亮了大約30%。當(dāng)太陽(yáng)將氫轉(zhuǎn)化為核心氦時(shí)，平均分子量增加，從而增加核心的溫度，從而提高聚變反應(yīng)的速度（稱為質(zhì)子-質(zhì)子鏈）。這慢慢增加了太陽(yáng)的能量輸出。

我們的生活需要液態(tài)水。為了保持行星表面的液態(tài)水，必須在進(jìn)入的能量和保持正確溫度范圍的能量之間保持平衡。

能量平衡總是在調(diào)整自己。如果地球大氣中的溫室氣體數(shù)量增加（就像今天你所看到的一樣），溫室氣體的“全面”效應(yīng)會(huì)創(chuàng)造出表面更熱的新能源平衡。

地球確實(shí)有一個(gè)內(nèi)置的恒溫器：碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)，它調(diào)節(jié)大氣中的二氧化碳量，從而保持穩(wěn)定的氣候。不幸的是，對(duì)我們?nèi)祟悂?lái)說(shuō)，它在大約一百萬(wàn)年的時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)行，因此幫助我們解決當(dāng)前的全球變暖問題太慢了。

熱毯：溫室效應(yīng)通過減緩空間的能量損失，基本上讓我們的大氣像毯子一樣流動(dòng)。更多的溫室氣體意味著毯子更厚。

行星加熱的另一種方式是，如果傳入的能量量增加。當(dāng)太陽(yáng)的亮度慢慢增加時(shí)，這正是正在發(fā)生的事情。而且，盡管地球氣候因季節(jié)、大氣成分（包括人造溫室氣體變化，有時(shí)來(lái)自火山塵埃）和米蘭科維奇周期而變化較短，但由于太陽(yáng)亮度的增加，地球表面正在緩慢但不可阻擋地升溫。

在某個(gè)時(shí)候，地球大氣層將不再能夠保持穩(wěn)定的能量平衡，溫室供暖將進(jìn)入失控階段。在失控的溫室里，有一個(gè)積極的反饋循環(huán)。行星表面變得更熱，導(dǎo)致更多的水蒸發(fā)到大氣中。水是一種強(qiáng)大的溫室氣體，因此這增加了溫室效應(yīng)的強(qiáng)度，從而進(jìn)一步加熱地球表面。

一旦溫室效應(yīng)失控，它將使地球表面升溫，以至于海洋將完全蒸發(fā)。這只會(huì)使地球更熱，直到達(dá)到新的平衡，表面灼熱，所有水都被困在大氣中（可能處于“超臨界”狀態(tài)，這意味著液體和氣體之間沒有區(qū)別）。地球表面附近會(huì)有更多的水蒸氣，但沒有液態(tài)海洋。

另一種思考方式是“宜居帶”——圍繞恒星運(yùn)行的區(qū)域，只要它有適當(dāng)?shù)拇髿鈱樱行强梢栽谄渲斜３忠簯B(tài)水?？删幼^(qū)的內(nèi)緣是與恒星的距離，行星的大氣層將經(jīng)歷失控的溫室加熱。目前，太陽(yáng)宜居帶的內(nèi)緣約為地球-太陽(yáng)距離的95%。

隨著陽(yáng)光的升亮，宜居區(qū)的內(nèi)緣正在慢慢向外行進(jìn)。適合居住區(qū)的內(nèi)緣何時(shí)穿過地球軌道有點(diǎn)棘手，但估計(jì)距離現(xiàn)在還有大約10億年。

從那時(shí)起，地球上不會(huì)再有液態(tài)水了。不再有液態(tài)水意味著不再有生命，至少正如我們所知。用偉大的梅爾·布魯克斯的話來(lái)說(shuō)：地球來(lái)了！

巖石行星軌道的混亂不穩(wěn)定

行星的軌道是混亂的。從數(shù)學(xué)意義上講，這意味著我們無(wú)法預(yù)測(cè)它們?cè)谶b遠(yuǎn)的未來(lái)（大約1000萬(wàn)到1億年后）的確切位置。

在思考未來(lái)時(shí)，很容易想象最糟糕的情況。當(dāng)我們的孩子還在爬來(lái)爬去時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己想象著可怕的未來(lái)，在這些未來(lái)中，他們從任何高大的邊緣爬下來(lái)。幸運(yùn)的是，從來(lái)沒有發(fā)生過這樣的事情。但這個(gè)前景會(huì)嚇到我們。

鑒于巖石行星的軌道是混亂的，我們無(wú)法知道它們的未來(lái)。我們應(yīng)該假設(shè)他們的軌道將永遠(yuǎn)保持良好和穩(wěn)定嗎？或者，像一個(gè)年輕的父母一樣，我們應(yīng)該假設(shè)最糟糕的情況，事情會(huì)以某種方式變得非常糟糕嗎？

計(jì)算機(jī)可以幫助我們找到答案，盡管答案是概率的。使用旨在及時(shí)跟蹤行星軌道的代碼，我們可以模擬太陽(yáng)系的許多可能的未來(lái)。每個(gè)模擬都從今天行星非常略有不同的位置開始，然后將它們投射到未來(lái)。我們非常準(zhǔn)確地知道行星的位置，但在毫米到米的水平上存在不確定性，這些不確定性被混亂放大了。

一些模擬發(fā)現(xiàn)，水星的軌道將變得非常伸展或偏心。如果水星與木星進(jìn)入“分子共振”，就可能發(fā)生這種情況。這種共振導(dǎo)致兩顆行星之間的軌道對(duì)齊，其中行星的后置線——連接太陽(yáng)到最近接近位置的線——開始一起進(jìn)動(dòng)，數(shù)千年來(lái)保持它們的對(duì)齊。這起到了以戲劇性的方式逐漸伸展水星軌道的作用：

一旦水星的軌道變得如此伸展，以至于穿過金星的軌道，各種瘋狂的事情都可能發(fā)生。水星可以離太陽(yáng)很近，以至于它被吞噬了。另一種可能性是水星與金星相撞。也許迄今為止看到的最戲劇性（和悲劇性）的結(jié)果是，水星最終可能會(huì)擾亂其他巖石行星的軌道，以至于引發(fā)地球和火星之間的碰撞，正如你在這張圖片中看到的那樣：

發(fā)生這種情況的可能性有多大？地球真的會(huì)在三十億年后與火星相撞嗎？2009年迄今為止最嚴(yán)格的研究表明，水星在未來(lái)50億年內(nèi)與木星發(fā)生長(zhǎng)期共振并造成嚴(yán)重破壞的可能性約為1%。即使水星進(jìn)入共振，與地球碰撞的可能性很小。水星更有可能只是落入太陽(yáng)或與金星碰撞。

換句話說(shuō)，巖石行星的軌道有99%的機(jī)會(huì)繼續(xù)像發(fā)條一樣圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，至少直到太陽(yáng)本身開始改變......

太陽(yáng)將進(jìn)化成一個(gè)紅巨星，吞下系內(nèi)的所有行星，變成一顆白矮星

大約50億年后，太陽(yáng)的核心將耗盡氫氣，氫氣是其聚變反應(yīng)堆的燃料。太陽(yáng)將繼續(xù)將氫氣融合到膨脹的外殼中，這將使太陽(yáng)膨脹成一個(gè)紅色的巨星。

Betelgeuse是獵戶座明亮的右肩，是紅巨星的最好例子。太陽(yáng)將在大約50億年內(nèi)成為一顆紅巨星。它將增加亮度，將宜居帶向外移動(dòng)，以包括木星和土星。在這個(gè)階段，巨行星的大衛(wèi)星表面可能有液態(tài)水的條件。其中許多衛(wèi)星內(nèi)部有很多水，包括一些（最著名的是歐羅巴）在冰殼下有液態(tài)海洋。太陽(yáng)系最大的衛(wèi)星木衛(wèi)三的質(zhì)量大約是地球的40倍，但被認(rèn)為它有大約一半的水！這使得木衛(wèi)三的水預(yù)算遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地球，因?yàn)槲覀兊男乔蛑挥?000個(gè)質(zhì)量中約1個(gè)水。木衛(wèi)三將在大約70億年后成為海洋月球。

行星的軌道將適應(yīng)不斷變化的太陽(yáng)。當(dāng)太陽(yáng)是紅巨星時(shí)，系內(nèi)行星將被吞沒。隨著太陽(yáng)因從其表面流出的強(qiáng)風(fēng)而失去質(zhì)量，遠(yuǎn)離太陽(yáng)的行星將擴(kuò)展到更寬的軌道。隨著太陽(yáng)引力減弱，行星的軌道自然變寬，就像一個(gè)失去張力，隨著年齡的增長(zhǎng)而伸展。

太陽(yáng)將膨脹約100倍，成為一顆紅巨星，并將延伸到地球目前的軌道。我們的星球?yàn)l臨：我們不知道它是被太陽(yáng)吞噬還是逃到更大的軌道上。

與此同時(shí)，太陽(yáng)的核心將收縮，直到溫度和壓力的升高使氦融合。當(dāng)中會(huì)有幾次閃光，然后太陽(yáng)會(huì)像“行星狀星云”的形式從外層上吹走（這與行星無(wú)關(guān)——它只是一個(gè)古老的名字）。太陽(yáng)剩下的是它的核心，一顆小白矮星，它只會(huì)慢慢冷卻，直到永遠(yuǎn)。

白矮星的質(zhì)量幾乎和太陽(yáng)一樣大，但體積只有地球那么大。這給了他們極強(qiáng)的表面重力，任何比氫或氦重的材料都會(huì)在幾天到幾個(gè)月內(nèi)從大氣層中沉淀出來(lái)，進(jìn)入恒星本身——這是一瞬間的事。

當(dāng)我們看到白矮星時(shí)，其中很大一部分似乎被“污染”了：它們的外層沒有純氫或氦光譜，而是受到巖石（有時(shí)富含冰）物質(zhì)的污染。因?yàn)樗鼞?yīng)該很快就解決了，所以這種巖石材料一定是最近與白矮星相撞的。

白矮星可能會(huì)被非常近的軌道上的碎片盤緩慢落到其表面的物質(zhì)流污染。這些碎片來(lái)自行星在軌道移動(dòng)期間和之后被引力彈弓射出的小天體。由于白矮星是一個(gè)微小的目標(biāo)，小天體不會(huì)撞擊恒星，而是被其引力撕裂，旋轉(zhuǎn)出巖石盤，當(dāng)它們非?？拷装堑能壍罆r(shí)，這些巖石盤被磨碎了。

大約70億年后，太陽(yáng)將成為一顆白矮星。地球要么被紅巨星吞噬，要么被徹底烤焦。從一位遙遠(yuǎn)的觀察者看來(lái)，一個(gè)淡藍(lán)色的圓點(diǎn)曾經(jīng)繞著這個(gè)一毛錢一打的白矮星運(yùn)行的唯一暗示是幾條獨(dú)特的光譜線——來(lái)自一個(gè)早已死亡的行星系統(tǒng)的血濺。

在這一點(diǎn)上，我們的故事是這樣的：

但這不是目的。五顆（如果地球幸運(yùn)的話，也許六顆）行星將幸存下來(lái)，將太陽(yáng)視為白矮星。

一顆路過的恒星會(huì)觸發(fā)行星之間的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定

沒有什么是永恒的（即使是寒冷的十一月的雨）。

在太陽(yáng)成為白矮星后，它的行星系統(tǒng)將幾乎是當(dāng)前大小的兩倍。當(dāng)然，不是從行星的數(shù)量來(lái)看（再見，系內(nèi)巖石行星），而是從幸存行星軌道的大小來(lái)看。太陽(yáng)將失去約40%的質(zhì)量，其中大部分將在成為白矮星的路上創(chuàng)造一個(gè)美麗的行星狀星云。這些行星的軌道將因響應(yīng)而擴(kuò)大約85%。海王星的軌道將從30個(gè)天文單位增長(zhǎng)到大約55個(gè)，標(biāo)志著行星的外部邊緣。

從這里到永恒應(yīng)該很順利，對(duì)吧？這些行星將圍繞白矮星運(yùn)行良好、近乎圓形的軌道。太陽(yáng)系那討厭的內(nèi)部混亂部分將被太陽(yáng)吞噬。

現(xiàn)在只有一件事可能會(huì)危及太陽(yáng)系：其他恒星。

明星們?cè)趮雰簳r(shí)期會(huì)花很多時(shí)間彼此親近。在它們的出生星團(tuán)中，恒星經(jīng)常相對(duì)靠近地通過。（確切的數(shù)字取決于出生集群的大小和密度。）有時(shí)，恒星經(jīng)過得如此之近，以至于它們的引力會(huì)影響圍繞每顆恒星的軌道上的東西。例如，一顆經(jīng)過的恒星可能會(huì)破壞另一顆恒星行星形成盤的最外層部分的穩(wěn)定。在某些情況下，過的恒星甚至可以偷走一顆非常寬軌道的行星。（這是假設(shè)的行星的可能起源。）

一個(gè)模型提出，柯伊伯帶中非常遙遠(yuǎn)的物體的軌道是在太陽(yáng)系歷史的早期形成的，當(dāng)時(shí)一顆恒星距離太陽(yáng)不到幾百到一千個(gè)天文單位。（這是一個(gè)有爭(zhēng)議的模型。）這是像太陽(yáng)這樣的恒星在像太陽(yáng)這樣的出生星團(tuán)中經(jīng)歷的最接近的距離。這次相遇甚至可能是太陽(yáng)有史以來(lái)最接近的遭遇，至少?gòu)恼Q生到成為白矮星。

一旦它們的出生星團(tuán)消散，恒星通常會(huì)遠(yuǎn)離彼此。這只是因?yàn)榭臻g真的很大?？紤]到太陽(yáng)附近恒星的密度以及它們移動(dòng)的速度，我們可以計(jì)算恒星在給定距離內(nèi)通過所需的典型時(shí)間。平均而言，另一顆恒星每2000萬(wàn)年左右經(jīng)過太陽(yáng)10000個(gè)天文單位，每10億年超過1000個(gè)天文單位，每1000億年超過100個(gè)天文單位。

讓我描述一下喬恩·津克、康斯坦丁·巴蒂金和弗雷德·亞當(dāng)斯在2020年的一項(xiàng)精彩研究，該研究真正提高了我們對(duì)太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)未來(lái)的理解。他們對(duì)太陽(yáng)系軌道演化進(jìn)行了數(shù)萬(wàn)億年的十次模擬，從今天開始，然后跟隨行星，太陽(yáng)變成紅巨星，然后是白矮星，并一直持續(xù)到遙遠(yuǎn)的未來(lái)。大爆炸只有約140億年的歷史，所以Zink和同事的模擬范圍大約是宇宙當(dāng)前年齡的70倍。每個(gè)模擬都代表了太陽(yáng)系的可能未來(lái)。在這種情況下，未來(lái)主要在靠近太陽(yáng)和行星的恒星的通過方面有所不同。

只有當(dāng)恒星非常接近時(shí)，行星系統(tǒng)才會(huì)受到強(qiáng)烈影響，其大小是最大行星軌道的三到五倍。海王星為30天文單位，一顆恒星需要在大約100個(gè)天文單位以內(nèi)通過，才能對(duì)當(dāng)今的太陽(yáng)系產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。但是，由于海王星在白矮星太陽(yáng)周圍有55個(gè)天文單位，一顆在大約200個(gè)天文單位內(nèi)經(jīng)過的恒星將對(duì)行星產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。即使是500天文單位的飛越也會(huì)給海王星帶來(lái)明顯的引力踢腿。

在Zink和他的同事的模擬中，在大約300億年內(nèi)，一顆恒星在數(shù)百個(gè)天文單位內(nèi)經(jīng)過，引發(fā)了動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。這將比太陽(yáng)系歷史上早期發(fā)生的不穩(wěn)定性要強(qiáng)得多，因?yàn)樗鼘拘呛屯列侵g的引力散射。這看起來(lái)不像是天體物理學(xué)家認(rèn)為在巨行星系外常見的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定（并且經(jīng)常摧毀它們的巖石行星）：

這種動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性將驅(qū)逐除一顆行星以外的所有剩余行星。行星之間的引力踢將為每顆行星提供足夠的軌道能量，以發(fā)射到星際空間，成為自由浮動(dòng)的行星。在Zink的大多數(shù)模擬中，木星是最后一顆站立的行星，在類似于巨行星系外行星的伸展軌道上生存。

從那時(shí)起，太陽(yáng)系將僅由白矮星太陽(yáng)和木星組成。這很奇怪，因?yàn)槿绻覀兪褂卯?dāng)今的技術(shù)搜索附近類似太陽(yáng)的恒星周圍的太陽(yáng)系，木星仍然是唯一可以探測(cè)到的太陽(yáng)系行星（目前）。

恒星的近距離通道剝離了太陽(yáng)最后一顆行星

就像每根繩子都有一個(gè)斷點(diǎn)一樣，如果另一顆恒星足夠近，任何行星都可以被從恒星中剝離。

在這個(gè)階段，太陽(yáng)系最后一顆站立的行星木星將處于一個(gè)寬闊的伸展軌道上。

恒星的遙遠(yuǎn)飛掠可以輕輕地將木星推向噴射，但非常罕見、非常近距離的遭遇的影響實(shí)際上是主導(dǎo)因素。Zink的模擬需要等待大約1000億年才能讓一顆恒星在大約200個(gè)天文單位內(nèi)通過。這顆恒星為木星提供了逃離白矮太陽(yáng)而再也回不回來(lái)所需的引力能量。（Zink的模擬在最后一顆恒星的噴射時(shí)間上存在范圍，從未來(lái)的約400億年到300多一點(diǎn)。）

因此，以下是太陽(yáng)系生命的最后階段：

太陽(yáng)八顆原始行星中的五顆或六顆仍然完好無(wú)損，只是不在繞太陽(yáng)的軌道上。這些行星將作為自由漂浮或“流氓”行星生存（另外兩三顆是在紅巨星階段吞噬的）。當(dāng)然，這些行星不會(huì)是孤獨(dú)的：隨著許多其他恒星的行星被星際空間失去，自由浮動(dòng)行星的豐度將不斷增加。

這標(biāo)志著太陽(yáng)系的終結(jié)。講了那么多，有沒有勾起你的好奇心？我希望你喜歡太陽(yáng)系的故事。

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