新研究将太阳系预计寿命缩短十亿倍

加州理工学院的研究人员发表了新的模拟研究,表明太阳系外行星将比此前模型预测的更早出现动力学不稳定。该研究由康斯坦丁·巴蒂金(Konstantin Batygin)与吉姆·富勒(Jim Fuller)、弗雷德·C·亚当斯(Fred C. Adams)共同主导,发表于《天体物理学杂志通讯》(The Astrophysical Journal Letters,第1009卷,文章编号L22),题为《随机太阳质量损失引发的太阳系终极不稳定性》("Terminal Instability of the Solar System Triggered by Stochastic Solar Mass Loss")。

这项研究究竟发现了什么

研究团队运行了数百次N体计算机模拟,追踪木星、土星、天王星和海王星在太阳演化为红巨星、随后成为白矮星过程中的引力相互作用。根据AAS Nova对该论文的总结,约40%的模拟显示外行星的轨道在红巨星阶段本身就会被扰乱,90%的模拟显示在白矮星形成后30亿年内会出现轨道紊乱。总体而言,该论文得出结论:外行星不太可能在太阳成为白矮星后存活超过约10亿年。

为何估计值变化如此之大

早期的稳定性研究假设太阳在衰老过程中会平滑且逐渐地损失质量。据AAS Nova和404 Media报道,在这一假设下,此前的研究曾估计外行星可能在300亿到1000亿年内保持稳定,按某些估计甚至长达10^18年。而这篇新论文则将太阳的质量损失建模为一系列随机、非对称的“随机踢动”(stochastic kicks),其依据是观测到的白矮星反冲速度,这表明质量的抛射是不均匀而非均匀分布的。

当这种随机性被纳入模拟后,巨行星的轨道周期比会随时间不可预测地漂移,作者将这一过程称为随机扩散(stochastic diffusion)。404 Media报道称,即便在行星进入平均运动共振(mean-motion resonances,即轨道周期形成小整数比的构型,此前被认为能在一定程度上抵御不稳定性)的情况下,这一机制仍会导致轨道交叉和混沌。该论文发现,处于共振构型的系统解体的频率略高于非共振构型,而非更低。

时间尺度及其意义

尽管估计值大幅下降,但预测的不稳定性仍在数十亿年之后才会发生。据Euronews援引的标准恒星演化时间线,太阳预计将在大约50亿年后进入红巨星阶段,因此这一新发现的不稳定性窗口仍将远远超出任何人类时间尺度。这一发现修正了天文学家对行星系统在其母恒星死亡后长期动力学命运的理解,而并不意味着地球或当前太阳系面临任何近期风险。

这句话指的是艾萨克·牛顿历史上的推测:木星和土星漂移的轨道暗示行星秩序或许并非永恒。新论文的作者表示,他们的模拟最终支持了这一观点,尽管其时间尺度与太阳的死亡相关,而非当下的轨道漂移。