私たちの太陽系はその途上にあります。ゆっくり。これからの数十億年の間に、あまり良くないものから本当に悲劇的なものまで、一連の不幸な出来事が起こります。その後、私たちの太陽系はなくなります。すべての惑星が失われ、太陽は孤立した白色矮星になります。
(涙を拭くために一時停止します。)
私たちの太陽系の未来を一歩ずつ導いていきます。地球は私たちの本拠地なので、地球上の生命に影響を与える重要な出来事を含めます。 5 つのステップは次のとおりです。
<オール>2. 岩石惑星の軌道が不安定になり、惑星間の巨大衝突が起こる可能性があります。
3. 太陽は赤色巨星になり、岩石惑星を飲み込む。
4. 星が通過すると、残りの惑星間で動的不安定性が引き起こされます。
5. 通り過ぎる星は最後の惑星をはぎ取る.
これらの各イベントが発生することはほぼ確実ですが、番号 2 (比較的低い確率しかありません) を除きます。しかし、最後に到達するには約 1000 億年かかります。
始めましょう。
地球上の液体の水 (および生命) の終焉
太陽はとてもゆっくりと熱くなっています。現在は、形成直後よりも約 30% 明るくなっています。太陽が核内で水素をヘリウムに変換すると、平均分子量が増加し、核の温度と核融合反応 (陽子-陽子鎖と呼ばれる) の速度が上昇します。これにより、太陽のエネルギー出力がゆっくりと増加します。
私たちが知っているように、生命には液体の水が必要です。惑星の表面で液体の水を維持するには、入ってくるエネルギーと出ていくエネルギーのバランスが適切な温度範囲を維持する必要があります。
エネルギーバランスは常に調整されています。地球の大気中の温室効果ガスの量が増加すると (今日のように)、温室効果ガスの「覆い」効果により、表面がより高温になり、新しいエネルギー バランスが生まれます。
地球にはサーモスタットが組み込まれています。炭酸塩とケイ酸塩の循環で、大気中の二酸化炭素の量を調節して、安定した気候を維持しています。私たち人間にとって残念なことに、それは約 100 万年のタイムスケールで動作するため、現在の地球温暖化の問題を解決するには遅すぎます。
惑星が加熱するもう 1 つの方法は、入ってくるエネルギーの量が増加した場合です。これはまさに、太陽の明るさがゆっくりと増加するにつれて起こっていることです。また、地球の気候には、季節、大気組成の変化 (人為的な温室効果ガスと、時には火山の塵によるもの)、およびミランコビッチ サイクルによる、はるかに短期的な変動がありますが、地球の表面はゆっくりと、しかし容赦なく高温になっています。太陽の明るさを増加させます。
ある時点で、地球の大気は安定したエネルギーバランスを維持できなくなり、温室の暖房は暴走段階に入ります。暴走温室では、正のフィードバック ループがあります。惑星の表面はより熱くなり、より多くの水が大気中に蒸発します。水は強力な温室効果ガスであるため、これが温室効果の強度を高め、地球の表面をさらに加熱します。
温室効果が暴走すると、地球の表面が熱くなり、海が完全に蒸発します。これは、灼熱の表面とすべての水が大気中に閉じ込められた新しいバランスに達するまで、惑星をますます熱くします (おそらく「超臨界」状態、つまり液体と気体の区別がありません)。地球の表面近くには水蒸気が多くなりますが、液体の海はありません。
これを考える別の方法は、「ハビタブル ゾーン」の観点からです。これは、適切な大気があれば、惑星が内部に液体の水を維持できる星の周りの軌道の領域です。ハビタブルゾーンの内側の端は、惑星の大気が暴走する温室加熱を受ける星からの距離です。現在、太陽のハビタブル ゾーンの内側の端は、地球と太陽の距離の約 95% にあります。
太陽が明るくなり、ハビタブル ゾーンの内側の端がゆっくりと外に向かって進んでいます。ハビタブル ゾーンの内縁が地球の軌道を横切る正確な時期を正確に特定するのは少し難しいですが、現在から約 10 億年後と推定されています。
その時点から、地球上に液体の水はなくなります。少なくとも私たちが知っているように、液体の水がなくなるということは、生命がなくなるということです。偉大なメル・ブルックスの言葉を借りれば、「地球が動く!」
岩石惑星の軌道の無秩序な不安定化
惑星の軌道は混沌としています。数学的な意味では、これは、遠い将来 (約 1000 万から 1 億年を超える) の正確な位置を予測できないことを意味します。
未来を考えるとき、最悪の事態を想像するのは簡単です。私の子供がまだ這い回っていたとき、私は自分が恐ろしい未来を想像していたことに気づきました。幸いなことに、そのようなことは一度もありませんでした。しかし、その見通しは私を怖がらせました.
岩石惑星の軌道が無秩序であることを考えると、それらの未来を知ることはできません。彼らの軌道はずっと安定していると思い込んでいいのでしょうか?それとも、若い親のように、物事がひどくうまくいかないという最悪の事態を想定すべきでしょうか?
コンピューターは、確率的ではありますが、答えを見つけるのに役立ちます。惑星の軌道を順方向にたどるように設計されたコードを使用して、太陽系の多くの可能性のある未来をシミュレートできます。各シミュレーションは、現在の惑星のわずかに異なる位置から開始し、それらを未来に投影します。私たちは惑星の位置を非常に正確に知っていますが、ミリメートルからメートルのレベルの不確実性があり、それらの不確実性はカオスによって増幅されます.
一部のシミュレーションでは、水星の軌道が極端に引き伸ばされたり、偏心したりすることがわかりました。これは、水星が木星との「永年共鳴」に入った場合に発生する可能性があります。共鳴は、2 つの惑星間の軌道の整列を引き起こし、惑星の遠点線 (太陽と最接近位置を結ぶ線) が一緒に歳差運動を開始し、何千年もの間それらの整列を維持します。これは、劇的な方法で水星の軌道を徐々に伸ばすように機能します:
水星の軌道が伸びすぎて金星の軌道を横切ると、あらゆる種類のクレイジーなことが起こります.水星は太陽に近づきすぎて飲み込まれることがあります。別の可能性は、水星が金星に衝突することです。おそらく、これまでに見られた中で最も劇的な (そして悲劇的な) 結果は、この画像でわかるように、水星が他の岩石惑星の軌道を乱して、地球と火星の間の衝突を引き起こす可能性があるということです:
これが起こる可能性はどのくらいですか？ 30億年後に地球が火星に衝突するって本当？ 2009年からのこれまでで最も厳密な研究は、水星が木星との永年共鳴に入り、次の50億年で大混乱をもたらす可能性が約1％あることを示しました.水星が共鳴に入ったとしても、地球に衝突する可能性はほとんどありません。水星が単純に太陽に落ちるか、金星に衝突する可能性の方がはるかに高い.
言い換えれば、少なくとも太陽自体が変化し始めるまでは、岩石惑星の軌道が時計仕掛けのように太陽の周りをズームし続ける可能性が 99% あります…
太陽は赤色巨星に進化し、内惑星を飲み込み、白色矮星になります
約 50 億年以内に、太陽の核は核融合炉の燃料である水素を使い果たします。太陽は膨張する殻の中で水素を融合し続け、これが太陽を赤色巨星に膨らませます。
オリオン座の明るい右肩であるベテルギウスは、赤色巨星の良い例です。太陽は約 5 億年間赤色巨星になります。明るさが増し、ハビタブルゾーンが外側に移動して木星と土星を取り囲みます。この段階では、巨大惑星の大きな月の表面に液体の水が存在する状態になる可能性があります。これらの衛星の多くは、氷の殻の下に液体の海があるもの (最も有名なエウロパ) を含め、内部に大量の水を持っています。太陽系最大の月であるガニメデは、地球の約 40 分の 1 の質量を持ちますが、約半分の水であると考えられています。これにより、ガニメデの水収支は地球よりも大幅に大きくなります。なぜなら、私たちの惑星は質量で 1000 分の 1 程度しか水ではないからです。ガニメデは、約 70 億年でかなりの海の月になります。
惑星の軌道は太陽の変化に合わせて調整されます。太陽が赤色巨星になると、内惑星は飲み込まれます。太陽から遠く離れた惑星は、太陽がその表面から流れ出る強力な風によって質量を失うにつれて、より広い軌道に拡大します。太陽の重力が弱まるにつれて、惑星の軌道は自然に広がります。
今、赤色巨星は大きい .太陽は約 100 倍に膨張して赤色巨星になり、地球の現在の軌道とほぼ同じくらいまで伸びます。私たちの惑星は瀬戸際にあります。太陽に飲み込まれるのか、それともより大きな軌道に逃げるのかはわかりません.
一方、太陽のコアは、温度と圧力が上昇してヘリウムの核融合が可能になるまで収縮します。数回の閃光があり、太陽は「惑星状星雲」として外層を膨らませます (これは惑星とは何の関係もありません。昔から使われている名前です)。太陽に残るのは、その核である小さな白色矮星であり、永遠にゆっくりと冷却するだけです.
白色矮星の質量は太陽とほぼ同じですが、大きさは地球ほどです。これにより、非常に強い表面重力が与えられ、水素やヘリウムよりも重い物質は、数日から数か月で大気から星自体に落ち着きます。これは天文学的な瞬きです。
白色矮星を見ると、それらの大部分が「汚染」されているように見えます。純粋な水素やヘリウムのスペクトルを持っている代わりに、それらの外層は岩石 (または時には氷に富んだ) 物質で汚染されています。非常に早く沈降するはずなので、この岩石の物質はつい最近白色矮星と衝突したに違いありません。
白色矮星は、非常に近い軌道にある破片の円盤から表面にゆっくりと落ちる物質によって汚染されている可能性があります。破片は、軌道シフト中および軌道シフト後に惑星によって重力でスリングショットされた小さな天体から発生します。白色矮星は小さなターゲットなので、小さな天体は星に衝突するのではなく、その重力によって引き裂かれ、白色矮星の非常に近くを周回するときに、粉砕された岩石の円盤を回転させて塵になります。
約70億年後、太陽は白色矮星になります。地球は赤色巨星の太陽に飲み込まれてしまうか、完全に焼き尽くされてしまうでしょう。遠く離れた観測者が見ると、淡い青色の点がかつてこの十数個の白色矮星を周回していたことを示す唯一のヒントは、いくつかの特徴的なスペクトル線です。それは、長い間死んでいた惑星系から飛び散る血です。
ここまでのストーリーは次のようになります。
しかし、これで終わりではありません。 5 つ (地球が運が良ければ 6 つ) の惑星が生き残り、太陽を白色矮星として見ることができます。
通過する星が惑星間の動的不安定性を引き起こす
永遠に続くものはありません (11 月の冷たい雨でさえ)。
太陽が白色矮星になった後、その惑星系は現在のほぼ 2 倍の大きさになります。もちろん、惑星の数の観点からではなく（さようなら、内側の岩石の惑星）、生き残った惑星の軌道のサイズの観点から.太陽は質量の約 40% を失い、その大部分が白色矮星になる過程で美しい惑星状星雲を形成します。惑星の軌道は、それに応じて約 85% 広がります。海王星の軌道は 30 天文単位から約 55 天文単位に成長し、惑星の外縁をマークします。
ここから永遠に順風満帆なはずですよね？惑星は、白色矮星の周りをほぼ円軌道で周回します。そして、太陽系の厄介な内部の混沌とした部分は、太陽に飲み込まれてしまうでしょう。
現在、太陽系を危険にさらす可能性のあるものは 1 つだけです。他の星です。
スターは赤ちゃんのときだけ、お互いの近くで多くの時間を過ごします。誕生した星団では、恒星同士が比較的近くを通過することがよくあります。 (正確な数は、誕生した星団のサイズと密度によって異なります。) 時々、星が非常に接近して通過し、その重力が各星の周りの軌道に影響を与えます。たとえば、通過する星は、別の星の惑星を形成する円盤の最も外側の部分を不安定にする可能性があります。また、場合によっては、通過する星が非常に広い軌道の惑星を盗むことさえあります. (これは、仮説上のプラネット 9 の起源である可能性があります。)
1 つのモデルは、カイパー ベルト内の非常に遠い天体の軌道は、星が太陽から数百から 1000 天文単位内に接近した太陽系の歴史の初期に形作られたと提案しています。 (これは議論の余地のあるモデルです。) これは、太陽のような星が太陽のような誕生星団で経験する最も近い遭遇の典型的な距離です。この遭遇は、少なくとも誕生から白色矮星になるまで、太陽がこれまで経験した中で最も近い遭遇であったかもしれません.
誕生した星団が消えると、通常、星は互いに遠く離れたままになります。これは、宇宙が本当に大きいからです。太陽の近くにある星の密度と星の動きの速さを考慮して、星が太陽から一定の距離内を通過するのにかかる典型的な時間を計算できます。平均して、別の星は約 2000 万年ごとに太陽から 10,000 天文単位以内、10 億年ごとに 1,000 天文単位以内、1,000 億年ごとに 100 天文単位以内を通過します。
Jon Zink、Konstantin Batygin、Fred Adams による 2020 年の素晴らしい研究について説明させてください。この研究は、太陽系の遠い未来に関する私たちの理解を本当に向上させました。彼らは、現在から始まり、太陽が赤色巨星になり、次に白色矮星になり、遠い未来まで続く惑星をたどって、1兆年にわたる太陽系の軌道進化の10回のシミュレーションを実行しました。ビッグバンはわずか 140 億歳だったので、Zink と同僚のシミュレーションは、現在の宇宙の年齢の約 70 倍まで伸びています。各シミュレーションは、太陽系の将来の可能性を表しています。この場合、未来は主に太陽と惑星に近い星の通過に関して異なります.
惑星系は、恒星が最大の惑星軌道の 3 ～ 5 倍のサイズの非常に近くを通過する場合にのみ、強く影響を受けます。海王星が 30 天文単位にある場合、現在の太陽系に強い影響を与えるには、星が約 100 天文単位内を通過する必要があります。しかし、海王星が白色矮星の周りの 55 天文単位にある場合、約 200 天文単位内を通過する星は、惑星に強い影響を与えます。 500 天文単位でのフライバイでさえ、海王星に顕著な重力キックを与えます。
Zink と彼の同僚のシミュレーションでは、約 300 億年以内に、星が数百天文単位以内を通過し、動的不安定性が引き起こされました。これは、木星と土星の間の重力散乱が含まれるため、太陽系の歴史の初期に発生した不安定性よりもはるかに強い不安定性になります。巨大惑星の軌道が比較的穏やかに広がるのではなく、これは天体物理学者が巨大な系外惑星の系の間で一般的であると考えている動的不安定性のように見えます (そしてそれはしばしばそれらの岩石惑星を破壊します):
この動的な不安定性により、残りの惑星は 1 つを除いてすべて排出されます。惑星間の重力キックは、各惑星 (ただし 1 つ) に十分な軌道エネルギーを与え、星間空間に打ち上げられて自由浮遊惑星になります。 Zink のシミュレーションのほとんどで、木星は最後の惑星であり、巨大な太陽系外惑星と同様の引き伸ばされた軌道で生き残っています。
この時点から、太陽系は白色矮星と木星だけで構成されます。現在の技術を使用して近くの太陽のような星の周りの太陽系を検索する場合、木星はまだ検出できる唯一の太陽系の惑星であるため、これは奇妙な方法で適合します (今のところ)。
星の接近通過が太陽の最後の惑星を遠ざける
すべてのロープに破断点があるように、別の星が十分近くを通過すると、どの惑星もその星から引き離される可能性があります。
この段階で、太陽系の最後の惑星である木星は、広く引き伸ばされた軌道上にあります。
遠く離れた星のフライバイは、木星を放出に向かって穏やかに微調整することができますが、実際には、非常にまれな、非常に接近した遭遇の影響が支配的です。 Zink のシミュレーションでは、星が約 200 天文単位内を通過するまでに約 1,000 億年待つ必要があります。この星は、木星が白色矮星の太陽から逃れ、二度と戻ってこないようにするために必要な重力エネルギーを木星に与えます。 (Zink のシミュレーションでは、最後の惑星の放出のタイミングに、約 400 億年後から 300 年強までの範囲がありました。)
太陽系の寿命の最終段階は次のようになります:
すべてが言い尽くされたとき、太陽の8つの元の惑星のうち5つまたは6つはまだ無傷であり、太陽の周りの軌道にはありません.これらの惑星は、自由に浮遊する、または「不正な」惑星として生き残ります (他の 2 つまたは 3 つの惑星は、赤色巨星の段階で飲み込まれます)。もちろん、これらの惑星だけではありません。他の多くの星が惑星を星間空間に失うにつれて、自由に浮遊する惑星の数は絶えず増加します。
これは、太陽系の終わりを示しています。すべてを包み込みます。そのストーリーをお楽しみいただけたでしょうか。 
Sean Raymond は、フランスのボルドー天体物理研究所で働くアメリカの天体物理学者です。また、サイエンスとフィクションのインターフェース (planetplanet.net) でブログを書いており、最近では天文学の詩集を出版しています。
その他のリソース
- 太陽系の物語 (すべての章へのリンク付き)
- 白色矮星 (ノーチラス号) の周りに飛び散る血の中で地球の運命を読む 記事）
- How Planets Die:進化する星々にローストされ、トーストされ、飲み込まれる (How Planets Die から) シリーズ
- セカンド チャンスの惑星:恒星が赤色巨星になると溶けるアイスボールの世界 (究極のセカンド チャンス 太陽系を含む、How Planets Die シリーズからのポジティブなスピン!)
- いくつかの主要な技術論文:Koparappu et al 2013 (ハビタブル ゾーンの限界)、Ramirez and Kaltenegger 2016 (進化する星のハビタブル ゾーン) Laskar and Gastineau 2009 (次の岩石惑星間のカオス駆動の動的不安定性の可能性について) 50 億年)、Veras 2016 (惑星系が進化する星にどのように反応するかについて、Zink et al 2020 (1,000 億年以上にわたる星の遭遇による後期不安定性と惑星の喪失について)。
- MOJO の動画 (私が惑星形成について生でしゃべっているのを見たい場合)
Sean Raymond のブログ PlanetPlanet.net から許可を得て転載
