Verbrauch und Zerfall.
Wenn Sie das nächste Mal das Leben der Party sein wollen – wenn Sie mit coolen Nerds rumhängen – lassen Sie diesen Satz einfach in das Gespräch fallen. Und wenn sie Sie fragend ansehen, sagen Sie einfach, dass dies das endgültige Schicksal des Sonnensystems ist.
Dann passe deine Halstuch und nimm noch einen Schluck von dir Absinth .
Zu den aufgeregten Folgefragen, die Ihrer Erklärung zwangsläufig folgen werden, können Sie weiter erklären, dass die Sonne selbst und die Milchstraße die Schuldigen sein werden. Und dann können Sie eine neue Studie erwähnen.
Die Studie trägt den Titel „ Die große Ungleichheit und der dynamische Zerfall des äußeren Sonnensystems .“ Der Hauptautor ist Jon Zink, ein Doktorand in der Abteilung für Astronomie und Astrophysik der UCLA. Das Papier ist im The Astronomical Journal veröffentlicht.
Die Menschen haben sich lange über das mögliche Schicksal des Sonnensystems gewundert. In der Einleitung ihres Artikels schreiben die Autoren: „Das Verständnis der langfristigen dynamischen Stabilität des Sonnensystems stellt eine der ältesten Bemühungen der Astrophysik dar, die auf Newton selbst zurückgeht, der spekulierte, dass wechselseitige Wechselwirkungen zwischen Planeten das System schließlich antreiben würden.“ instabil.' Aber er konnte sich nicht erklären, weil Störungstheorie gab es noch nicht.
Vor 200 Jahren fragte sich Newton, ob Wechselwirkungen zwischen den Planeten das Sonnensystem schließlich instabil machen würden. Aber trug er eine Krawatte und trank Absinth? Historiker sind unsicher.Porträt von Isaac Newton (1642-1727)Von Godfrey Kneller – http://www.phys.uu.nl/~vgent/astrology/images/newton1689.jpg], Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=146431
Newton hatte zumindest teilweise recht. Aber die Zukunft eines komplizierten Systems wie unseres Sonnensystems zu bestimmen, ist keine leichte Aufgabe, zumal es eine wissenschaftliche Vorhersage von Ereignissen erfordert, deren Entwicklung Milliarden von Jahren dauert.
In dieser neuen Studie führten die Autoren eine Vielzahl von sogenannten n-Körpersimulationen . Sie sind ein häufig verwendetes Werkzeug in der Astronomie und Astrophysik.n-Körpersimulationen sind Simulationen dynamischer Systeme wechselwirkender Teilchen, wobei die Teilchen in diesem Fall die Planeten und die Sonne selbst sind.
In mehreren Milliarden Jahren wird sich die Sonne – der Dreh- und Angelpunkt des Sonnensystems – dramatisch verändern. Die Wasserstofffusion in ihrem Kern wird sich abschwächen und die Sonne wird die Hauptfolge . Es wird erweitert in a roter Riese , umhüllt Merkur, Venus und wahrscheinlich die Erde. (Das Überleben des Mars ist ungewiss, aber da seine Masse so gering ist, wird es keine großen Auswirkungen auf die großen äußeren Planeten haben, ob er überlebt oder nicht.“
Künstlerische Darstellung der Struktur eines sonnenähnlichen Sterns und eines Roten Riesen, nicht maßstabsgetreu. Bildquelle: ESO
Sie könnten fragen: „Wenn die Erde einmal weg ist, wen interessiert es, was als nächstes passiert? Warum sich mit diesen Simulationen beschäftigen?“ Nun, vielleicht ist die Menschheit bis dahin weiter in das Sonnensystem gewandert. Aber ob wir es getan haben oder nicht, wir sind immer noch bestrebt, das Schicksal des Sonnensystems zu erfahren.
Wenn sich die Sonne zu einem Roten Riesen ausdehnt, verliert sie auch an Masse. Tatsächlich wird es in den nächsten 7 Milliarden Jahren wahrscheinlich etwa die Hälfte seiner Masse verlieren. Der Massenverlust, der die Umlaufbahnen der Planeten und anderer Körper des Sonnensystems verankert, wird äußerst störend sein.
Die Ausdehnung der Sonne wird höchstwahrscheinlich das Spiel für die inneren Gesteinsplaneten bedeuten. Aber auch für alle Menschen oder ihre entfernten, unerkennbaren Nachkommen, die sich an das Leben im Ozean Europas oder anderswo klammern, ist das Spiel ebenfalls vorbei.
Während sich die Sonne entwickelt, wird sie zu einem Roten Riesenstern, der an Größe wächst, bis er die inneren Planeten verschlungen hat. Bildquelle: Roen Kelly
Ohne die Masse der Sonne, die sie gravitativ verankert, werden sich die äußeren Planeten des Sonnensystems lösen. Wie ein Aristokrat bei einem fünftägigen Absinth-Gelage wird ihr Orbitalverhalten unberechenbar und unberechenbar. Sie werden weiter weg in den Weltraum treiben.
Bisher ist dies keine neue Erkenntnis. „Aufgrund des Massenverlusts der Sonne – von dem erwartet wird, dass er etwa die Hälfte der Masse des Sterns entfernt – erweitern sich die Umlaufbahnen der Riesenplaneten“, schreiben die Autoren. Doch Zink und seine Kollegen wollten herausfinden, was danach passiert. Laut ihrer Arbeit wird es für einige der Planeten eine weitere Periode relativer Stabilität geben.
„Dieser adiabatische Prozess behält die Orbitalperiodenverhältnisse bei, aber die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen den Planeten und die Breite der Mean-Motion-Resonanz (MMR) nehmen zu, was dazu führt, dass Jupiter und Saturn in eine stabile 5:2-Resonanzkonfiguration eingefangen werden.“
Aber diese erweiterten Umlaufbahnen machen die Situation zusammen mit anderen Eigenschaften unhaltbar. Die neue Konfiguration, der der Verankerungseffekt der Sonnenmasse fehlt, ist anfällig für „… Störungen durch stellare Vorbeiflugwechselwirkungen“, schreiben die Autoren. An diesem Punkt ihrer Simulationen ist unsere nicht wiederzuerkennende Sonne jetzt ein weißer Zwerg.
„Dementsprechend stören stellare Begegnungen innerhalb von etwa 30 Gyr die Planeten auf die chaotische Unterdomäne der 5:2-Resonanz, was eine großräumige Instabilität auslöst, die in den Ausstoßungen aller Planeten bis auf einen über die nachfolgenden ~10 Gyr gipfelt.“
Dieses Diagramm zeigt, wann jeder äußere Planet in den 10 Simulationen der Autoren (dargestellt durch verschiedene Farben) aus dem Sonnensystem ausgestoßen wird. Bildquelle: Zink et al. 2020
Welcher Planet widersteht der Vertreibung? Höchstwahrscheinlich Jupiter, der massereichste Planet unseres Sonnensystems. Ohne weitere Gefährten wird Jupiter laut der Studie weitere 50 Gyr bleiben. Es wird erst entfernt, wenn ein stellarer Vorbeiflug ihn endlich zum Packen schickt.
„Wenn keine zusätzlichen Planeten vorhanden sind, fehlt dem überlebenden Planeten ein direkter Mechanismus, um positive Energie zu erlangen. Die einzige verbleibende Quelle für den Energieaustausch ist die Interaktion mit vorbeiziehenden Sternen“, schreiben die Autoren in ihrem Artikel. Und sie berechnen, dass etwa alle 20 Millionen Jahre ein Stern vorbeizieht.
Als letzter Planet wird die Exzentrizität der Umlaufbahn von Jupiter erhöht. „Infolgedessen wird die erwartete Zeitskala für den Ausstoß des Gasriesen nach der Instabilität ungefähr um den Faktor zwei verkürzt (im Vergleich zur Planetenbahn vor dem Einsetzen der Instabilität). Der einsame alte Jupiter ist also anfälliger für den Auswurf durch vorbeiziehende Sterne.
Dieses neueste Bild von Jupiter, das am 25. August 2020 vom NASA/ESA-Weltraumteleskop Hubble aufgenommen wurde, wurde aufgenommen, als der Planet 653 Millionen Kilometer von der Erde entfernt war. Wenn diese neue Studie richtig ist, könnte Jupiter der letzte Planet im Sonnensystem sein. Bildnachweis: NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center) und M. H. Wong (University of California, Berkeley) und das OPAL-Team.
Wenn Sie sich ein Vorbeiflug-Ereignis unter genau den richtigen Umständen vorstellen, um Jupiter auszuwerfen, ist das wahrscheinlich nicht ganz richtig. Es ist eher wie 'Tod durch tausend Schnitte'.
„Da Vorbeiflugbegegnungen selten sind (einmal alle 23 Millionen in die 10.000-Au-Kugel eintreten) und die meisten Interaktionen kleine dynamische Auswirkungen auf den verbleibenden Planeten haben, kann der Ausstoßprozess im Prinzip stetig ablaufen…“, schreiben Zink und seine Co-Autoren.
Oder vielleicht nicht. „Andererseits ist es bei ausreichender Zeit auch möglich, dass eine extrem enge Begegnung den letzten Planeten selbstständig befreit. Der zugrunde liegende Mechanismus zur Entfernung des letzten Planeten stellt somit eine Konkurrenz zwischen diesen beiden Prozessen dar.“
Diese Abbildung aus der Studie zeigt den langsamen Anstieg der Exzentrizität und der großen Halbachse, der durch wiederholte Vorbeiflüge von Sternen im Laufe der Zeit verursacht wird, wobei ein letztes Vorbeiflugereignis den letzten Planeten aus dem Sonnensystem ausstößt. Bildquelle: Zink et al., 2020.
Dies ist nicht einfach zu simulieren, zumal dies alles in Milliarden von Jahren passieren wird. Passend dazu stellen die Autoren eine Frage: „Mit anderen Worten, wird der letzte Planet durch ein einziges großes Ereignis oder viele kleine Energieaustausche ausgestoßen?“
Die Autoren bieten jedoch ein paar Vorbehalte. Einer betrifft die Anzahl der von ihnen durchgeführten Simulationen: 10. Sie räumen ein, dass ihre Studie keine soliden statistischen Beweise liefert, aber die Tatsache, dass jede Simulation ähnliche Ergebnisse lieferte, ist dennoch signifikant. „In allen 10 unserer Simulationen werden die vier Gasriesen innerhalb von 10 . aus dem Sonnensystem geschleudert12Jahr, nach dem Ende des solaren Massenverlusts“, schreiben sie.
Ein weiterer Vorbehalt betrifft die vorbeifliegenden Sterne. Sie modellierten Vorbeiflüge einzelner Sterne, aber etwa die Hälfte aller Sterne existiert in binären Paaren. Das Team hat diese Begegnungen sozusagen aus seinen Simulationen ausgeschlossen. Aber sie berücksichtigten sie immer noch und räumten ein, dass binäre Vorbeiflüge wahrscheinlich störender sein würden als einzelne Vorbeiflüge. „Indem wir uns entschieden haben, diese binären Begegnungen auszuschließen, treffen wir eine konservative Schätzung der Lebensdauer des zukünftigen Sonnensystems. Mit anderen Worten, der Effekt der Einbeziehung von binären Vorbeiflügen würde diese erwartete Lebensdauer weiter reduzieren.“
Ganz am Anfang ihrer Arbeit raten die Autoren zur Vorsicht in Bezug auf ihre eigenen Ergebnisse. „Leider“, schreiben sie, „selbst die genauestenn-Körpersimulationen sind nur in der Lage, zeitlich begrenzte Prognosen für die Entwicklung des Sonnensystems zu erstellen. Aufgrund der chaotischen Natur der Planetenbahnen ist eine deterministische Vorhersage über ausreichend lange Zeitskalen unmöglich.“
Natürlich wird sich die Milchstraße selbst in diesen extrem langen Zeiträumen stark verändern. Wie wird sich das auf die Zukunft des Sonnensystems auswirken?
Wenn das Sonnensystem oder das, was davon übrig ist, durch die Galaxie wandert, können sich die Aussichten ändern. 'Über die in dieser Studie betrachteten Zeitskalen kann das Sonnensystem eine radiale Wanderung durch die Galaxie durchlaufen und auf Regionen mit unterschiedlicher Sternendichte und Geschwindigkeitsdispersion stoßen.' Aber das ist fast unmöglich zu modellieren.
Wird es nach außen oder nach innen wandern? Niemand ist sich sicher, und niemand ist sich sicher, ob das bedeutet, dass das Restsystem auf weniger oder mehr Sterne trifft. Die Begegnungsrate kann jedoch um das Dreifache variieren.
Auch die Milchstraße wird voraussichtlich in mehreren Milliarden Jahren mit der Andromeda-Galaxie kollidieren oder verschmelzen. Aber auch das ist auf der granularen Ebene einzelner Solarsysteme nicht einfach zu modellieren. „Diese Veränderungen werden sich auf die Rate und Geschwindigkeit stellarer Begegnungen auswirken, aber eine genaue Schätzung dieser Veränderungen bleibt schwierig und würde den Rahmen dieser vorliegenden Arbeit sprengen.“
Eine künstlerische Illustration der Andromeda-Galaxie und der Milchstraße, den beiden größten Galaxien der Lokalen Gruppe, befinden sich auf Kollisionskurs. Bildnachweis: NASA
Auf jeden Fall gibt es keinen Grund, die Absinth-Flasche auszutrinken, während man nervös den Himmel im Auge behält. Es ist unwahrscheinlich, dass die Menschheit all dies miterleben wird. Wenn es stimmt, dass 99,9 % aller jemals existierenden Arten ausgestorben sind, haben wir keine großen Chancen.
Aber die Frage nach dem Schicksal des Sonnensystems ist immer noch faszinierend. Irgendwann werden sich die ehemaligen planetarischen Gefährten zerstreuen und durch den Weltraum treiben als Schurkenplaneten . Wenn eine andere Smarty-Pants-Art sie jemals entdeckt, haben sie keine Ahnung von ihrer Herkunft und können nicht wissen, dass sich eine bestimmte Hominidenart auf einem bestimmten Planeten über ihr zukünftiges Schicksal wundert.
Mehr:
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