Что произойдет, если Юпитер столкнется с Солнцем?

Оба ответа квора неверны. Представление о том, что «ничего не происходит», неверно по причинам, которые я подробно объясню ниже. Идея о том, что Юпитер каким-то образом распространяется по поверхности Солнца или напрямую влияет на светимость Солнца, делая это, ошибочна на многих уровнях, как указано Виктором Тотом на странице кворума и Робом и Крисом в качестве ответов здесь.

Вместо этого я выдвигаю пару сценариев, в которых большое количество аккрецированной энергии и/или углового момента определенно влияет на Солнце и/или излучение, которое Земля получает от Солнца.

Сценарий 1. Сценарий, в котором Юпитер просто падает на Солнце из своего текущего положения, безусловно, будет иметь краткосрочные последствия. Но кратковременность здесь означает по сравнению со временем жизни Солнца, а не сотнями лет.

Кинетическая энергия Юпитера на поверхности Солнца была бы порядка$GM_{\odot}M_\mathrm{Jup}/R_{\odot} \sim 4\times 10^{38}$джоули.

Солнечная светимость есть$3.83 \times 10^{26}\ \mathrm{J/s}$.

Добавление такого большого количества энергии (если ей позволить термализироваться) потенциально может повлиять на светимость Солнца на временных шкалах в десятки тысяч лет. Точные эффекты будут зависеть от того, где энергия депонируется. По сравнению с энергией связи звезды дополнительная энергия незначительна, но если энергия рассеивается в зоне конвекции, то кинетическая энергия совершала бы работу и поднимала конвективную оболочку Солнца. Другими словами, Солнце увеличилось бы как по светимости, так и по радиусу. Если бы эффекты ограничивались только конвективной оболочкой, то она имела бы массу около$0.02 M_{\odot}$и поэтому может быть "поднят"$\sim 4\times 10^{38} R_{\odot}^2/GM_{\odot}M_{\rm conv} \sim 0.05 R_{\odot}$.

Таким образом, в этом сценарии Солнце расширится и станет более ярким. Соответствующая шкала времени - это шкала времени Кельвина-Гельмгольца конвективной оболочки , которая имеет порядок$GM_{\odot}M_{\rm conv}/R_{\odot} L_{\odot} \sim$немного$10^5$годы.

Если бы планета каким-то образом выжила и пробила себе путь к центру Солнца, то в зоне конвекции было бы выделено гораздо меньше энергии, и эффекты были бы меньше.

В более длительных временных масштабах Солнце вернется к главной последовательности с радиусом и светимостью лишь немного больше, чем было раньше.

Все это предполагает, что Юпитер может оставаться неповрежденным при падении. Он, конечно, не «испарится» в этом сценарии прямого падения, но будет ли он разорван приливом, прежде чем он сможет исчезнуть под поверхностью? Предел Роша в порядке$R_{\odot} (\rho_{\odot}/\rho_{\rm Jup})^{1/3}$. Но средние плотности Солнца и Юпитера почти одинаковы. Таким образом, кажется вероятным, что Юпитер начал бы разрываться на части приливами, но, поскольку в этот момент он движется к Солнцу со скоростью несколько сотен км/с, приливный разрыв не может быть достигнут до того, как он исчезнет под поверхностью.

Так что мой вывод таков, что сбрасывание Юпитера на Солнце в этом сценарии было бы похоже на сбрасывание глубинной бомбы с отставанием по порядку.$10^{5}$лет до того, как стали очевидны все последствия.

Сценарий 2: Юпитер достигает предела Роша (чуть выше поверхности Солнца), загадочным образом потеряв большое количество углового момента. В этом случае последствия могут ощущаться в масштабах человеческого времени.

В этом случае произойдет то, что Юпитер будет (быстро) разорван приливным полем, возможно, оставив существенное ядро. При радиусе орбиты$2 R_{\odot}$, период обращения составит около 8 часов, орбитальная скорость около$300\ \mathrm{km/s}$и орбитальный угловой момент около$10^{42}\ \mathrm{kg\ m^2\ s^{-1}}$. Если предположить полное разрушение, большая часть материала сформирует аккреционный диск вокруг Солнца, поскольку он должен потерять часть своего углового момента, прежде чем сможет аккрецироваться.

Неясно, какая часть солнечного света заблокирована. В основном это зависит от того, как материал распределяется в диске, особенно от высоты шкалы диска. Это, в свою очередь, зависит от баланса механизмов нагрева и охлаждения и, следовательно, от температуры диска.

Некоторая минимальная оценка может состоять в том, чтобы предположить, что диск плоский и равномерно распределен между поверхностью Солнца и$2R_{\odot}$и что она приближается к температуре солнечной фотосферы при$\sim 5000\ \mathrm K$. В этом случае площадь диска$3 \pi R_{\odot}^2$, с «реальной плотностью»$\sigma \sim M_{\rm Jup}/3\pi R_{\odot}^2$.

В гидростатическом равновесии высота шкалы будет$\sim kT/g m_\mathrm H$, куда$g$гравитационное поле и$m_\mathrm H$масса атома водорода. Сила тяжести (самолета) будет$g \sim 4\pi G \sigma$. Ввод$T \sim 5000\ \mathrm K$, мы получаем высоту шкалы$\sim 0.1 R_{\odot}$.

Учитывая, что Земля находится в плоскости эклиптики и именно там будет диск, то большая часть,$\gt 20\ \%$, солнечного света, достигающего Земли, может быть заблокировано. Чтобы выяснить, так ли это, нам нужно определить оптическую толщину материала. Для высоты шкалы$0.1 R_{\odot}$и плоской геометрии, то плотность материала равна$\sim 3\ \mathrm{kg/m^3}$. Хотя это соответствует плотности столбца$\sim 10^{10}\ \mathrm{kg/m^2}$.

Для сравнения, плотность солнечной фотосферы порядка$10^{-12}\ \mathrm{kg/m^3}$и только верхний$1000\ \mathrm{km}$солнца. Учитывая, что определение фотосферы — это место, где материал становится оптически толстым, мы можем сделать вывод, что Юпитер, расколотый приливом, оптически толст для излучения, и действительно , количество солнечного света, падающего на Землю, будет очень значительно уменьшено — независимо от того, будет ли количество воздействующего на него излучения или нет. Земля уменьшается или увеличивается, это сложная проблема переноса излучения, так как если бы диск находился на$5000\ \mathrm K$ и оптически толстый, он будет давать много излучения!

Как долго останется аккреционный диск, я не знаю, как рассчитать. Это зависит от предполагаемой структуры вязкости и температуры, а также от того, сколько массы теряется в результате испарения/ветров. Аккрецированный материал излучает большую часть своей гравитационной потенциальной энергии, поэтому энергетические эффекты будут гораздо менее серьезными, чем в сценарии 1. Однако Солнце будет аккрецировать$\sim 10^{42}\ \mathrm{kg\ m^2\ s^{-1}}$углового момента, который сравним с его текущим угловым моментом. Таким образом, аккреции Юпитера достаточно, чтобы значительно увеличить угловой момент Солнца . В долгосрочной перспективе это резко повлияет на магнитную активность Солнца, увеличив ее от нескольких до порядков.

Я бы определенно склонялся к тому, что «ничего» не происходит.

Ответ «темнеет на 200 лет» делает очень много предположений, некоторые из которых кажутся мне необоснованными. В частности, предполагается, что Юпитер равномерно растечется по поверхности Солнца и останется сверху, не смешиваясь с основной массой Солнца.

С другой стороны, если Юпитер вообще не распространяется, он может, самое большее, стереть вокруг себя$.3\%$светимости солнца (поскольку это часть, которую оно покроет). Они также упоминают, что из-за массы Солнце будет существовать дольше, что подозрительно, поскольку дополнительная масса обычно сокращает время жизни звезд главной последовательности.

Учитывая, что солнечные пятна крупнее Юпитера образуются время от времени и быстро смешиваются с Солнцем, кажется вероятным, что Юпитер будет делать то же самое. И если он смешается через конвекционный слой, все, что он сделает, это незначительно снизит температуру и, таким образом, немного затмит солнце.

Основное различие между ответом « ничего особенного не происходит » и ответом « столетия мрака » состоит в том, что первый утверждает без явного расчета, что

после разрушения Юпитера приливными силами его холодное вещество довольно быстро смешается с конвективными потоками

в то время как второй делает некоторые термодинамические предположения и оценивает, что эта «довольно быстрая» временная шкала составляет несколько сотен лет поглощения всей выходной энергии Солнца или несколько тысяч лет поглощения основной части выходной энергии Солнца.

Они не противоречат друг другу: общее время пребывания Солнца на главной последовательности составит около десяти миллиардов лет, и всплеск в несколько сотен или нескольких тысяч лет ничто по сравнению с этим. Солнце подойдет.

Однако в ответе «столетия тьмы» есть глубокая ошибка. Разумно предполагается, что Юпитер полностью состоит из водорода; однако предполагается, что «средняя температура» этого водорода составляет около 100 кельвинов. Это разумная оценка средней температуры над облаками Юпитера. Но учитывая, что температура ядра Земли составляет примерно 6000 К, абсурдно предполагать, что Юпитер на всем протяжении холодный.

Быстрый поиск находит одну оценку температуры ядра Юпитера в 24 000 кельвинов и оценку, что почти весь объем Юпитера горячее, чем поверхность Солнца , с температурой 6000 К всего в нескольких тысячах километров ниже вершин облаков.

Таким образом, предположение о том, что распространение массы Юпитера по поверхности Солнца сделает Солнце холодным на какое-то время, просто неверно; Масса Юпитера в основном уже горячая. Есть много интересных эффектов, которые я не готов моделировать. (Например, Роб Джеффрис в настоящее время пишет аккуратный ответ об аккреционном диске; вы всегда можете сказать, нашли ли вы настоящего астронома, потому что они отвечают на каждый вопрос, говоря об угловом моменте.)

Простое вычисление количества выделяемого тепла и сравнение его с теплоемкостью Юпитера (даже если не учитывать, как говорит @rob, что температура ядра Юпитера горячее, чем поверхность Солнца) является ошибочным рассуждением. Какой механизм заставит всю выходную солнечную энергию направить на нагрев Юпитера? Я предполагаю, что если бы Юпитер был полностью распределен по поверхности Солнца, это вызвало бы слой массы, который должен был бы нагреться, прежде чем мы увидели бы какую-либо солнечную энергию, но это потребовало бы, чтобы Юпитер каким-то образом распространился вбок, а не радиально. Если бы Юпитер смешался со всем Солнцем, температура Солнца немного уменьшилась бы, и, возможно, потребовалось бы несколько сотен лет, чтобы температура Солнца вернулась к своему прежнему уровню, и, возможно, мы получили бы на несколько базисных пунктов меньше солнечной радиации.