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太陽(yáng)系的最終命運(yùn)

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藝術(shù)家對(duì)太陽(yáng)系外圍的印象。[ASA,?ESA,?G.?Bacon?(STSci)]

什么想法讓你夜不能寐？如果是關(guān)于我們的太陽(yáng)系將如何結(jié)束...?哇，你真是著眼全局！其實(shí)一些科學(xué)家也有同樣的疑問(wèn)，當(dāng)然他們也給出了答案:?一部分會(huì)被吞噬，剩下的可能會(huì)分解。

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太陽(yáng)老了以后

根據(jù)喬恩?·?津克(加州大學(xué)洛杉磯分校)最近發(fā)表的一篇文章的開頭，研究太陽(yáng)系可能的命運(yùn)是“天體物理學(xué)最古老的追求之一，追溯到牛頓本人”。雖然這個(gè)傳統(tǒng)由來(lái)已久，但這個(gè)領(lǐng)域是復(fù)雜的:?求解多個(gè)物體之間的動(dòng)態(tài)相互作用是一個(gè)眾所周知的難題。隨著太陽(yáng)的進(jìn)化，它會(huì)變成一顆紅巨星，不斷變大，直到吞沒太陽(yáng)系內(nèi)的行星。更重要的是，需要考慮的不僅僅是固定物體的動(dòng)力學(xué)。在接下來(lái)的70億年里，太陽(yáng)將戲劇性地進(jìn)化，膨脹到足以包圍水星、金星甚至地球的軌道并且其質(zhì)量將減少近一半。

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外行星將在這次進(jìn)化中幸存下來(lái)，但它們不會(huì)毫發(fā)無(wú)損地逃脫:?由于太陽(yáng)質(zhì)量的引力牽引著行星的軌道，太陽(yáng)的重量減少將導(dǎo)致外行星漂移到更遠(yuǎn)的地方，削弱它們與太陽(yáng)系的聯(lián)系，接下來(lái)會(huì)發(fā)生什么？Zink?和他的合作者用一系列?n?體數(shù)值模擬演示了這個(gè)場(chǎng)景。

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太陽(yáng)系不復(fù)存在

作者的模擬探索了當(dāng)太陽(yáng)吞噬了內(nèi)行星，失去了一半質(zhì)量，開始了白矮星的新生活后，外行星會(huì)發(fā)生什么變化。Zink?和他的合作者展示了巨行星如何向外遷移以應(yīng)對(duì)太陽(yáng)的質(zhì)量損失——形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，木星和土星進(jìn)入5:2的平均運(yùn)動(dòng)共振ー木星每繞土星兩圈就會(huì)繞行五圈。

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這張圖顯示了作者的10個(gè)模擬(用不同的顏色表示)中，每個(gè)外行星何時(shí)被拋出太陽(yáng)系。點(diǎn)擊放大。[?zink?et?al.?2020]

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但是我們所在的太陽(yáng)系并不是孤立存在的；銀河系中還有其他的恒星，大約每2000萬(wàn)年就有一顆從我們身邊經(jīng)過(guò)。津克和他的合作伙伴在他們的模擬實(shí)驗(yàn)中加入了其他恒星的影響。

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他們證明，在大約300億年內(nèi)，恒星的飛過(guò)會(huì)對(duì)我們的外行星產(chǎn)生足夠的擾動(dòng)，以至于穩(wěn)定的布局將會(huì)變得混亂，迅速將大部分巨型行星從我們的太陽(yáng)系中發(fā)射出去。最后一顆行星會(huì)多停留一段時(shí)間。但是在1000億年內(nèi)，即使是這顆最終留下的行星也將因?yàn)楹阈堑娘w過(guò)而變得不穩(wěn)定并被趕出太陽(yáng)系。在它們被驅(qū)趕之后，這些巨型行星將獨(dú)自在銀河系中漫游，加入到?jīng)]有寄主的自由漂浮的行星行列當(dāng)中。因此，我們的命運(yùn)是荒涼的：根據(jù)這些模擬實(shí)驗(yàn)，太陽(yáng)質(zhì)量虧損和恒星的飛過(guò)將瓦解太陽(yáng)系。好消息？這種命運(yùn)將在未來(lái)的幾十億年到來(lái)，所以你不必為此過(guò)度憂慮。

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相關(guān)知識(shí)

太陽(yáng)系是太陽(yáng)和其他直接或間接圍繞太陽(yáng)運(yùn)行天體的引力約束系統(tǒng)。在直接圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的天體中，最大的是八大行星，其余的是一些較小的天體，矮行星和小型太陽(yáng)系天體。在間接圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的天體中——兩顆衛(wèi)星——兩顆比最小的行星，水星大的衛(wèi)星。太陽(yáng)系是46億年前一個(gè)巨型星際分子云發(fā)生引力坍塌形成的。這個(gè)星系的絕大部分的質(zhì)量都在太陽(yáng)上，剩下的大部分都包含在木星中。

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水星、金星、地球和火星這四顆較小的內(nèi)行星是類地行星，它們主要由巖石和金屬組成。四顆外行星是巨行星，它們的質(zhì)量比地球大得多。最大的兩顆行星木星和土星是氣態(tài)巨星，主要由氫和氦組成；最外層的兩顆行星天王星和海王星是冰巨星，主要由與氫、氦相比熔點(diǎn)較高的被稱為揮發(fā)物的物質(zhì)組成，如水、氨和甲烷。所有八顆行星的軌道幾乎都是圓形的，它們位于一個(gè)近乎平坦叫做黃道的圓盤內(nèi)。

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作者：Susanna Kohler?

FY：Astronomical volunteer team

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