Где будет зона Златовласки, когда Солнце станет красным гигантом?

Пригодная для жизни зона обычно определяется как диапазон орбит, где жидкая вода может сохраняться на планете. Это несколько нечетко определено, поскольку моделирование климата планет с различными свойствами (плотность и состав атмосферы, вращение и т. Д.) Изменяет расстояния, на которых может сохраняться вода. Но в первом приближении обитаемая зона масштабируется как$R_{hz}=\sqrt{L/L_\odot}$AU, с размытыми границами где-то рядом$0.7 R_{hz}$а также$1.4 R_{hz}$(Возможно, Венера и Марс, если бы все пошло иначе, были бы обитаемы). Различные источники дадут вам разные ограничения.

Здесь я буду использовать звездную модель из работы Шредера К.П. и Коннона Смита Р. (2008). Возвращение к далекому будущему Солнца и Земли. Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества, 386 (1), 155–163 .

По мере своего развития Солнце сначала станет субгигантом. По оценкам, Солнце достигает своей максимальной температуры поверхности 5820 К за 2,55 млрд лет, а светимость в 1,26 раза ярче, чем в настоящее время. В этот момент Марс (вращающийся на расстоянии от 1,38 до 1,52 а.е.) может начать выглядеть пригодным для жизни. Это все еще далеко от ожидаемого разрушения биосферы Земли ( по некоторым оценкам , через 1,6 млрд лет ).

Примерно через 5,42 млрд лет Солнце действительно станет красным гигантом. Светимость увеличивается с 1,84 раза по сравнению с текущей светимостью до 2730 раз за 7,59 млрд лет. Очевидные плохие новости для Марса. Но теперь обитаемая зона расширяется к поясу Койпера.

Здесь есть некоторые сложности из-за потери массы. Светимость увеличивается нелинейным образом. Будучи красным гигантом, Солнце также потеряет значительное количество массы, и это заставит планеты двигаться по спирали наружу. (Вот почему существуют разногласия по поводу того, будет ли Земля поглощена Солнцем или убежит; это зависит от множества факторов с большой модельной неопределенностью.)

В более ранней статье Шредера, Смита и Аппса оценивалось время, в течение которого разные планеты и луны будут находиться в зоне жизни. Марс, по их мнению, станет пригодным для жизни через 11,6–11,7 млрд лет. Они предполагают, что спутники Юпитера будут там через 12,07–12,10 млрд лет, Сатурна (Титана) – через 12,139–12,147 млрд лет, Урана (Оберона) – через 12,162–12,164 млрд лет, а у Нептуна никогда не будет обитаемого периода. Обратите внимание, что временные интервалы очень короткие, всего несколько миллионов лет во внешней системе. Хуже того, периоды разобщены во времени: Солнечная система не будет постоянно обитаема.

Таким образом, есть некоторые разногласия между статьями о периодах обитаемости Марса, но кажется очевидным, что в будущем Марс (при наличии достаточного количества летучих веществ) может стать пригодным для жизни. Я бы не стал ожидать многого от спутников газовых гигантов, хотя они были бы захватывающей обстановкой.

Каждый ответ в то время, когда я писал этот мой ответ, был сосредоточен только на последней и самой катастрофической стадии «красного гиганта». На самом деле эволюция Солнца после ухода его с главной последовательности — дело более прогрессивное. Итак, позвольте мне заполнить этот пробел.

То, что на самом деле называют стадией красных гигантов (РГ), на самом деле не так уж и ярко, а затем, после того, как кульминацией является то, что называется гелиевой вспышкой (из-за короткой фазы ядерного синтеза этого элемента), за ней следует равномерная менее яркая фаза, известная как горизонтальная ветвь (HB), название которой происходит от того факта, что светимость меняется очень мало. Тогда и только тогда начинается катастрофический финальный этап, рассматриваемый в других ответах, который называется асимптотической гигантской ветвью (АВГ). На следующих диаграммах все это схематично показано (горизонтальная ось в миллиардах лет, вертикальная ось в относительной светимости по сравнению с Солнцем в настоящее время):

Это взято из классической статьи об обитаемой зоне Кастинга и др. [KWR93] и, цитируя авторов

Обратите внимание на изменения шкалы времени на 10 и 11 млрд лет. Разрыв на частоте 11 млрд лет вызван вспышкой гелия. [...] Последняя фаза белого карлика не показана. Детали эволюции во время фаз HB и AGB опущены.

Таким образом, в других ответах особое внимание уделяется стадии AGB. Но ясно, что правильная стадия RG и промежуточная стадия HB имеют гораздо более приемлемые светимости, которые должны давать обитаемые зоны внутри Солнечной системы.

В Википедии есть более подробная диаграмма эволюции Солнца, где также указана температура, необходимая для расчета обитаемой зоны.

Я собираюсь использовать модель из [KRS+14], которая является той же статьей, которую цитирует @KyleOman. Я рассмотрю три вехи: конец главной последовательности, конец красного гиганта непосредственно перед гелиевой вспышкой, конец горизонтальной ветви.

• конец МС: светимость ⨉ 3, температура 5500 К;
• конец РГ: светимость ⨉ 300, температура 3200 К;
• конец HB: светимость ⨉ 20, температура 5000К.

получаю за внутреннюю и внешнюю границу обитаемой зоны, в АС,

• конец МС: 1,7 — 3,
• конец РГ: 18 — 35,
• конец НВ: 4 — 8.

Это следует сравнить со следующими приблизительными расстояниями:

• Марс: 1,5 а.е.,
• Юпитер: 5 а.е.,
• Сатурн: 9 а.е.,
• уран: 20 а.е.,
• Нептун: 30 а.е.

Так что окончательно спутники некоторых планет-гигантов будут находиться в обитаемой зоне на некоторых стадиях после ухода Солнца с главной последовательности и до катастрофической асимптотической ветви гигантов.

[KWR93] Джеймс Ф. Кастинг, Дэниел П. Уитмайр и Рэй Т. Рейнольдс. Обитаемые зоны вокруг звезд главной последовательности. Икар, 101(1):108–128, 1993.

[KRS+14] Рави Кумар Коппарапу, Рамсес М. Рамирес, Джеймс Шоттел-Котте, Джеймс Ф. Кастинг, Шон Домагал-Голдман и Винсент Эймет. Обитаемые зоны вокруг звезд главной последовательности: зависимость от массы планеты. Astrophysical Journal Letters, 787(2):L29, 2014. [arxiv:1404.5292]

Когда вы говорите «делает нашу планету непригодной для жизни», это довольно преуменьшение, поскольку на самом деле она будет внутри Солнца (не то, чтобы здесь был резкий край, но вы поняли идею).

Выбираем некоторые номинальные значения для красной гигантской звезды:

• эффективная температура$5000\,{\rm K}$
• светимость$5000\,{\rm L}_\odot$

Этот калькулятор (на основе этих бумаг ) дает обитаемую зону$70-130\,{\rm AU}$. Для контекста, Плутон находится примерно$40\,{\rm AU}$... даже слабак$1000\,{\rm L}_\odot$красный гигант выталкивает обитаемую зону как минимум$30\,{\rm AU}$, то есть орбита Нептуна.

Что касается обитаемости, то трудно представить себе что-либо в Солнечной системе пригодным для жизни, поскольку известных планет нет.$^1$так далеко. Есть тела меньшего размера, но из-за отсутствия атмосферы их будет сложно продать будущим агентам по недвижимости.

$^1$Есть эта штука с Планетой 9, но она в значительной степени опровергнута , по крайней мере, на данный момент.

К счастью, наша галактика не просуществует так долго. Сверхскопление Shapely притягивает сотни галактик, включая наш Млечный Путь, в крупную гравитационную аномалию под названием «Великий Аттрактор». До него всего 220 миллионов лет... Что чертовски быстро по сравнению с пятью миллиардами лет. С Солнцем будет все в порядке еще долгое время, потому что его плотность/масса не приближается к сверхновой.