当太阳最终变成红巨星时，地球会被太阳吞噬？

我们可以问一些关于宇宙的存在的问题，这些问题不仅会让我们超越人类的极限，而且会超越地球上的生命。随着时间的推移，太阳会变热，核聚变的速度会加快，最终输出的能量会达到地球海洋沸腾的程度。再过10亿或20亿年，这可能会使地球上的生命完全湮灭。

图注：该插图是对HD 189733 b的描述，一个被它的母星吞噬的行星。当太阳开始膨胀成为一个红巨星时，它几乎肯定会吞下水星，然后吞下金星，但地球的命运还远未确定。再过40到50亿年后，太阳将膨胀成一个红巨星，进入其演化的下一阶段。当这种情况发生时，水星和金星肯定会被吞噬，但地球呢？地球会仅仅是在太阳的外壳内运行，还是会被太阳吞噬？

这是一个非常吸引人的问题，我们还不能完全确定h答案。这是我们目前所知道的。

图注：八大行星的轨道在偏心率和近日点（最接近点）与远日点（最远距离）相对于太阳的差异上有所不同。为什么有些行星会或多或少地彼此偏心，这并没有特殊的原因；这只是太阳系形成的初始条件的结果。在海王星轨道之外的是柯伊伯带，紧接着是奥尔特云，有一些（但不是压倒一切）的证据指出可能存在的“行星九”。我们大多数人——无论是科学家还是非科学家——头脑中都有一个相对准确的太阳系图像。太阳位于中心，由四颗内岩石行星环绕，每颗行星都以稳定的椭圆轨道运行。在那之后是小行星带，一个小质量（相对于行星）的大集合，它们被引力相互作用互相碰撞，在那里它们要么撞到太阳，要么从太阳系中弹出，要么被扰动到其他轨道上。

在小行星带的另一边是四个气态巨行星，它们也以稳定的椭圆轨道运行，并有自己的卫星系统围绕它们运行。最外层的海王星，是柯伊伯带的守护者，柯伊伯带可能包含也可能不包含行星9，之后是奥尔特云。

图注：如果其他一切都失败了，我们可以肯定，太阳的演化将导致地球上所有生命的死亡。早在太阳到达红巨星阶段之前，恒星的演化就将导致太阳的亮度显著增加，足以使地球上的海洋沸腾，这必将导致人类消亡，也许地球上还会幸存生命。太阳大小的确切增长率，以及它在各个阶段的质量损失细节，仍不完全清楚。同样地，我们认为我们了解太阳，我们的太阳系的锚定，将如何随着时间的推移演变。在它的核心，它在核连锁反应中把氢熔化成氦。最终的结果是，每四个氢原子熔合成一个氦原子，0.7%的预熔合质量通过爱因斯坦著名的关系式E=mc^2转化成能量。

每次发生核聚变反应，堆芯都会损失一些潜在的氢燃料，导致其轻微收缩和升温。这种微小的变化导致核聚变发生的区域缓慢扩展，聚变率增加。在数十亿年的时间尺度上，太阳的能量输出不断增加，直到核心完全耗尽氢燃料，导致其收缩、升温，最终点燃氦聚变。大约在这个时候，太阳的外层膨胀，导致它转变成一颗红色巨星。

图注：今天的太阳与红巨星相比非常小，但会增长到红巨星阶段，大约250倍于目前的大小。像心宿二或参宿四这样的可怕的超级巨星将永远超出我们的太阳的能力范围，因为太阳永远不会开始将碳融合在核心中，熔合碳是增长到这个规模的必要步骤。这是我们太阳系随时间演化的基本模型。当太阳膨胀成一个红巨星时，它的外层变得更加脆弱，并将被完全吹离太阳系，导致太阳失去质量。当太阳系中的中心引力物体质量下降时，行星倾向于向外旋转，因为它们在引力上保持得更松散。特别是目前距太阳平均约1.5亿公里的地球，其轨道距离将与太阳的质量损失成比例增加。

但太阳的体积也会增大，如果它对一颗绕轨道运行的行星造成太大的阻力，那颗行星就会自转进入太阳。我们应该考虑的一个大问题是，在这两个相互竞争的过程中，哪一个将为每一个星球赢得胜利？最直接的计算方法是计算质量损失率、轨道外旋率和太阳半径作为时间的函数，然后看看会发生什么。

图注：这颗古老的玉夫座巨星R的周围的螺旋结构是由于当它经历AGB阶段时，巨星的风吹散了恒星的外层，在AGB阶段产生并捕获了大量的中子（来自碳-13+氦-4核聚变）。螺旋模式可能指向一个双星系统：我们的太阳不具备的东西。克劳斯·彼得·施罗德（Klaus Peter Schroder）和罗伯特·史密斯（Robert C. Smith）于2008进行了这方面最新的综合性工作，他们发现，从现在开始大约76亿年后，太阳将失去目前质量的33%。这将导致地球的轨道显著膨胀，与太阳的剩余质量成比例。虽然水星和金星将被膨胀的太阳吞没，但地球不会。

然而，地球也经历了来自巨大太阳的潮汐相互作用，地球的一部分经历了来自另一部分的不同净力，这导致地球失去一些额外的轨道角动量。有些科学家认为：

“尽管太阳质量损失产生了积极的影响，但地球将无法逃脱太阳的吞噬。为了在太阳到达红巨星阶段幸存下来，任何假设的行星都需要目前最小轨道半径约为1.15 AU。”

换句话说，火星是绝对安全的，但地球应该被太阳吞噬。

当然，这个结论只有在我们对太阳系和太阳的所有假设都是绝对正确的情况下才是有效的，而事实上它们可能不是。我们需要挑战的第一个假设是行星以稳定的椭圆轨道运行。如果牛顿引力是绝对正确的，而且我们只有一颗行星绕着一个像太阳一样的点运行，情况就是这样。但是在太阳系中，天体的大小是真实的、有限的，并且有多个物体相互牵引，这些轨道就会变得混乱，并会随着时间而演化。

根据华威大学的科学家迪米特里·维拉斯（Dimitri Veras），他专门研究太阳系的演化，大约有1%的几率，四个内行星中的一个或多个会因为它们之间的相互引力拖拽，而使它们的轨道变得不稳定。他解释说：“如果行星在这个阶段存活下来，那么当太阳离开主序列时，它将吞下水星和金星，也许还有地球。火星会存活下来，但它的表面会发生变化，脆弱的大气层可能会被切断。”

图注：图中所示的行星状星云NGC 2440显示了一颗垂死的红巨星生命最后阶段喷出的大量物质。在模拟太阳在主序阶段以外的演化过程中存在的不确定性太大，无法确定地得出关于行星地球生存能力的结论。为什么，如果早前对薛定谔和史密斯的研究声称地球将最终被吞没，我们对地球就不再那么确定了？这是因为一个动态的、不断变化的环境会给系统带来混乱，这使得我们星球的命运变得不确定。特别是，三个不同的因素发挥了作用，目前没有一个因素得到充分的模拟或理解：

即使这四颗行星都能存活到太阳进入红巨星阶段，它们的轨道距离比率也会随着太阳的膨胀而保持不变，直到水星被吞没为止。在那一点上，剩下的行星可能会无序演化，这可能导致地球被提升到一个更高、更安全的轨道。太阳失去质量和半径增长的速度有很大的不确定性，这可能对进化模型产生重大影响。而且——造成最大的不确定性——影响我们星球轨道的潮汐力需要得到更好地理解。根据维拉斯说法，“许多潮汐模型存在，并且不存在哪一个是最准确或可行的使用的共识。”

图注：我们太阳系的对数视图，一直延伸到最近的恒星，显示了小行星带、柯伊伯带和奥尔特云的范围。最近的研究表明，超过10000 AU的每一个天体，也许大多数在1000 AU到10000 AU之间的天体，都无法在太阳演化的后期存活下来，而其内部的许多天体也可能无法存活下来。只有当我们考虑内部太阳系的演化，而不包括外部太阳系中发生的任何动力学的影响时，我们才会这样做。这项工作是维拉斯的专长，正如他在2012帮助论证的那样，几乎整个奥尔特云都无法在太阳的恒星演化的最后阶段生存，而在2016，当他表明行星九的存在或不存在会显著改变柯伊伯带甚至三的太阳系气体巨星的命运。（只有在行星九存在的情况下，木星才有保障。）

为了知道行星地球是否能够存活，我们需要确定并使用正确的潮汐公式，来模拟太阳系和太阳自身随着时间的推移而演化时，太阳和地球之间的相互作用。正如维拉斯所说，“对于地球的命运，肯定需要进行更详细的研究：不仅要研究地球是否会被吞噬，还要研究当太阳离开主序列时，地球内部、表面和大气将如何变化。”

图注：当太阳变成一个真正的红巨星时，地球本身可能会被吞噬，但绝对会被前所未有的烤熟。太阳外层将膨胀到目前直径的100倍以上，但其演化的确切细节，以及这些变化将如何影响行星的轨道，仍有很大的不确定性。在红巨星阶段结束时，太阳预计会抛出大部分剩余的外层，而核心区域收缩形成白矮星：一个主要由碳和氧组成的恒星残骸。然而，至于太阳系中还有什么东西，最近的研究留下了一些悬而未决的问题。

水星和金星肯定会被吞没；奥尔特云中的大部分（但可能不是全部）将脱离太阳系，逃逸到星系际介质中。这是推测性的，但似乎是可信的，最近的星际访客2I/Borisov可能会将其起源追溯到另一个演化成红巨星的恒星系统。然而，我们几乎没有理由对地球的命运充满信心；除非我们有一个更好的太阳演化模型，否则情况应该仍然如此。虽然木星肯定会幸存下来，但剩下的行星的命运取决于行星九的存在和性质，其不确定性如此之大，以至于目前还不能得出明确的结论。

图注：当质量较低的类太阳恒星耗尽燃料时，它们会在行星状星云中吹掉外层，但中心收缩形成白矮星，这需要很长时间才能褪去黑暗。这需要很长时间才能消失在黑暗中。我们的太阳将生成的行星状星云应该完全消失，在大约95亿年之后，只剩下白矮星和我们的残余行星。地球的轨道稳定性问题，即使它能存活这么久，也不能保证。也许更令人不安的是：即使地球在红巨星阶段幸存下来，并进入一个围绕残余白矮星的稳定轨道，我们的星球本身仍有可能被摧毁。考虑到至少木星将继续存在，并且可能存在其他一些质量，这些天体之间的相互作用可能会干扰地球向白矮星靠近，在白矮星上，我们星球的彻底毁灭仍然是一个可行的潜在结果。

我们太阳肯定会变成一个红巨星，如果不提前喷射，地球会向外旋转，水星和金星会被完全吞没，而太阳系最外层的大多数物体将变得不受束缚。但目前太阳演化的不确定性和我们所拥有的天体的相互影响太大，无法确定我们最终的命运。