Насколько больше жизни может получить Солнце благодаря подъему звезд?

TL;DR: продолжительность жизни Солнца на главной последовательности может быть увеличена в 12,2 раза.

Возможно, наиболее полным астрофизическим анализом звездной инженерии для расширения обитаемости Земли является книга Мартина Бича « Омоложение Солнца и предотвращение других глобальных катастроф» (2008).

Чтобы сохранить биосферу, нужно смешать недра Солнца (чтобы избежать фазы красного гиганта) и удалить материю (чтобы избежать слишком большой светимости).

Удаление материала

Удаление материала сложно, потому что потенциальная энергия на поверхности Солнца$U_\odot = GM_\odot/R_\odot=$1,9e11 Дж/кг. Хотя всего 2e-6 массы-энергии, заложенной в материи, и 0,3% потенциальной энергии синтеза, она все равно громоздка. Если бы сфера Дайсона использовалась с идеальной эффективностью, максимальная скорость извлечения массы была бы

$$\begin{equation} \dot{m}=\frac{L_\odot}{U_\odot} = \frac{L_\odot R_\odot}{GM_\odot} \approx 2.0061\cdot 10^{15} \text{kg/s}, \end{equation}$$ типичная масса малого астероида в секунду. Шкала времени, чтобы разобрать солнце, используя только солнечную светимость, составляет $$\begin{equation}\tau_{disassemble}=\frac{3GM_\odot^2}{5R_\odot L_\odot} = 18.852\text{Myr}.\end{equation}$$ Задолго до этого изменения давления уменьшали светимость, что делало эту оценку заниженной примерно на порядок. Я получаю 556,93 млн лет, что немного больше, чем 300 млн лет у Крисвелла.

Другая идеализированная модель состоит в том, что процесс подъема плавит водород (используя$p-p$процесса) для дальнейшего подъема. В этом случае каждый килограмм поднимаемой массы производит$6.45\cdot 10^{14}$J, что позволяет поднимать на 3380 кг больше топлива. Конечно, это могло бы произвольно ускориться, если бы для этого существовала технология.

Я опускаю, как это сделать. Помимо классических предложений Крисвелла (ускорение вращения, отсасывание плазмы с помощью магнитных полей и т. д.), Бич предполагает, что это может сделать поток черпаков или звездная пленка. Это не совсем ключ к вопросу.

Уменьшение яркости

Светимость также может быть уменьшена за счет увеличения нетеплового давления в ядре, возможно, за счет сильных магнитных полей или быстрого внутреннего вращения. Это продлит время жизни главной последовательности, поскольку

$$\begin{equation}\tau_{NTPS}\sim \tau_{MS} \left(1-\frac{p_{NT}}{p_T}\right )^{-7.5}.\end{equation}$$ 10-процентное увеличение по сравнению с текущим давлением удвоит время жизни Солнца на главной последовательности и примерно вдвое уменьшит светимость при истощении водорода. Достижение этого нетривиально, учитывая текущую структуру Солнца (магнитные поля генерируются в конвективной внешней оболочке), но Бич отмечает, что если бы масса уменьшилась примерно до половины текущей массы, модифицированное солнце было бы полностью конвективным, а магнитные поля также создавали бы выше$p_{NT}$в ядре.

Еще один способ уменьшить светимость — увеличить непрозрачность звезды.$\kappa$. Чтобы уменьшить светимость в 100 раз (и температуру поверхности в 10 раз), непрозрачность необходимо увеличить в 100 раз. Однако Бич отмечает, что простое добавление тяжелых элементов не поможет, поскольку они увеличивают массу. и, следовательно, светимость. Хотя можно представить себе «диализ», при котором гелий удаляется и заменяется более крупным$Z$элементы, это кажется сложным, и нет местных легкодоступных источников достаточно высокой$Z$вещества в Солнечной системе.

Смешивание

Разработка улучшенного перемешивания перед удалением массы нетривиальна. Импакторы и лазеры просто не проникают достаточно глубоко, чтобы иметь значение. Бич предлагает использовать черную дыру субзвездной массы, колеблющуюся на Солнце, чтобы смешать его. Если отверстие маленькое, время до поглощения велико.

Результат

При потере массы и полном перемешивании Бич обнаружил, что время жизни главной последовательности увеличилось в 12,2 раза, а в разумных пределах от 4 до 6 раз.

У сценария Бича есть проблема, заключающаяся в том, что солнце поздней стадии, имея приемлемую светимость на орбите Земли, будет намного горячее, выделяя значительное количество УФ-излучения. Конечный результат во многом похож на голубую отставшую звезду.