سرنوشت زمین در دوران غول سرخ شدن خورشید چه خواهد شد؟

تصور کنید بر خط ساحل ایستاده‌اید و خورشید آن‌قدر بزرگ می‌شود که آسمان را پر می‌کند. افق روشن‌تر می‌شود. هوا انگار مکث می‌کند. ستاره‌ای که میلیاردها سال پایدار بوده، به یک غول سرخ متورم تبدیل می‌شود و هر چیزی که درون کره رو به گسترش آن قرار دارد، محکوم به نابودی به نظر می‌رسد. این تصویر برای دهه‌ها نگاه ما به آینده بسیار دور منظومه شمسی را شکل داده بود: عطارد، زهره و شاید حتی زمین، یکسره بلعیده می‌شوند.

با این حال، مدل‌سازی تازه تصویری ظریف‌تر ارائه می‌دهد. گروهی از اخترشناسان با استفاده از محاسبات به‌روزتر درباره تکامل ستاره‌ای و بادهای ستاره‌ای، پایان کار ستاره ما را دوباره بررسی کرده‌اند. نتیجه آن‌ها این است: زمین لزوما قربانی قطعی نخواهد بود. در عوض، سرنوشت سیاره ما به کشمکشی میان دو فرایند رقیب وابسته است: نیروهای کشندی که سیاره‌ها را به درون می‌کشند و کاهش تدریجی جرم خورشید که چنگ گرانشی آن را ضعیف می‌کند و مدارها را به بیرون می‌راند.

فیزیک ماجرا به زبان ساده

نیروهای کشندی را در مقیاس کوچک می‌شناسیم: ماه باعث ایجاد جزر و مد در زمین می‌شود. در مقیاس ستاره‌ای، کشندها مانند ترمز عمل می‌کنند. با انبساط خورشید و همرفتی و آشفته شدن لایه‌های بیرونی آن، برهم‌کنش‌های گرانشی انرژی مداری سیاره‌های نزدیک را می‌کاهند. اگر کشندها غالب شوند، مدارها رو به فروپاشی می‌روند. سیاره‌ها فرو می‌افتند. و می‌سوزند.

در برابر این کشش به درون، کاهش جرم قرار دارد. خورشید در اواخر عمر خود مقدار زیادی ماده را از راه بادهای نیرومند ستاره‌ای از دست خواهد داد. هر کیلوگرم جرمِ از دست رفته یعنی اندکی گرانش کمتر. مدارها با حرکت به بیرون به این تغییر پاسخ می‌دهند و گاهی این جابه‌جایی بسیار چشمگیر است. پرسش اصلی این است که برای زمین، کدام اثر پیروز می‌شود.

مطالعات پیشین به نتیجه‌های یکسانی نرسیده بودند، زیرا از توصیف‌های ساده‌شده برای ساختار ستاره یا مدل‌های ابتدایی بادهای ستاره‌ای استفاده می‌کردند. پژوهش تازه محاسبات دقیق‌تری را درباره چگونگی تغییرات درونی یک ستاره پیر و نحوه انتقال جرم توسط بادهای آن در نظر می‌گیرد. سپس پژوهشگران طیفی از سناریوهای محتمل برای کاهش جرم را آزمودند تا بازه پیامدهای ممکن را مشخص کنند.

نتیجه اصلی روشن است. عطارد و زهره تقریبا به طور قطع محکوم به نابودی‌اند؛ کشندها و بلعیده شدن مستقیم، با باد کردن خورشید به حیات آن‌ها پایان می‌دهند. زمین و مریخ در منطقه‌ای خاکستری قرار دارند. در بسیاری از مدل‌های واقع‌بینانه، سیاره ما به اندازه‌ای به بیرون رانده می‌شود که از بلعیده شدن مستقیم بگریزد و در نهایت به دور یک کوتوله سفید، یعنی بازمانده فشرده‌ای که پس از رها شدن پوشش خورشید باقی می‌ماند، گردش کند. اما در سناریوهایی که گشتاورهای کشندی نیرومندتر از انتظار باشند، زمین همچنان می‌تواند به سوی درون مارپیچ‌وار سقوط کند.

چرا این عدم قطعیت اهمیت دارد

همه چیز به اعداد برمی‌گردد: خورشید چه مقدار جرم از دست خواهد داد و کشندها با چه بازدهی انرژی مداری را می‌کاهند؟ فیزیک بادهای ستاره‌ای همچنان پیچیده است. تغییرات کوچک در شدت فرضی بادها می‌تواند تعادل را به طور تعیین‌کننده‌ای تغییر دهد. پژوهشگران یادآور می‌شوند که خورشید ممکن است در مرحله غول سرخ و غول مجانبی، چیزی در حدود نیمی از جرم کنونی خود را از دست بدهد، اما همین رقم نیز با عدم قطعیت همراه است.

برای آنکه مسئله کمتر فرضی باشد، این گروه یک ستاره مشابه، یعنی اچ‌دی ۵۶۰۹۶ را در فاصله تقریبی ۱۸۳ سال نوری بررسی کرد. این ستاره از نظر جرم و ویژگی‌های کلی به خورشید شباهت دارد و ویژگی‌های مشاهده‌شده آن از مدل‌های جدید پشتیبانی می‌کند: آهنگ انبساط و کاهش جرم ناشی از بادهای ستاره‌ای می‌تواند برای راندن مداری شبیه مدار زمین به بیرون کافی باشد، پیش از آنکه کشندها حرف آخر را بزنند.

حتی اگر زمین از بلعیده شدن فیزیکی بگریزد، گریز به معنای بقا برای حیات نیست. خورشید مدت‌ها پیش از رسیدن به مرحله غول سرخ، درخشان‌تر خواهد شد. حدود یک میلیارد سال دیگر، تابندگی خورشید احتمالا زمین را آن‌قدر گرم می‌کند که اقیانوس‌ها از میان بروند و سطح سیاره سترون شود. بنابراین پرسش درباره سرنوشت مداری زمین، بیش از آنکه به زندگی انسان‌ها در آن زمان دور مربوط باشد، به معماری منظومه شمسی پس از مرگ ستاره‌ای مربوط است.

دیدگاه کارشناس

«اگر نیروهای کشندی غالب شوند، زمین بلعیده می‌شود؛ اما اگر کاهش جرم دست بالا را پیدا کند، زمین می‌تواند به بیرون رانده شود و دوام بیاورد»، ماتس سلدرس، نویسنده اصلی پژوهش و پژوهشگر مؤسسه اخترشناسی دانشگاه کاتولیک لوون بلژیک، می‌گوید. «مدل‌های ما با پیوند دادن تغییرات درونی ستاره با توصیف‌های واقع‌بینانه‌تر از بادهای ستاره‌ای، پژوهش‌های پیشین را بهبود می‌دهند؛ با این حال نتیجه نهایی همچنان به تاریخچه دقیق کاهش جرم خورشید بسیار حساس است.»

پیامد این یافته دو جنبه دارد. نخست اینکه فیزیک دقیق ستاره‌ای برای پیش‌بینی پویایی بلندمدت سیاره‌ها اهمیت زیادی دارد. دوم اینکه مشاهده غول‌های خورشیدمانند، مانند اچ‌دی ۵۶۰۹۶، کمک می‌کند مسیرهای محتمل آینده منظومه شمسی محدودتر شوند. ترکیب داده‌های رصدی با مدل‌های پالایش‌شده، عدم قطعیت را کاهش می‌دهد، حتی اگر آن را کاملا از میان نبرد.

این یافته برای علوم سیاره‌ای چه معنایی دارد

این مطالعه پرسش‌های مربوط به مهاجرت سیاره‌ای و بقای سیاره‌ها در جریان مراحل پایانی تکامل ستاره‌ای را از نو چارچوب‌بندی می‌کند. یافته‌ها نشان می‌دهد جهان‌های سنگی می‌توانند از تغییرات شدید ستاره مادر خود جان سالم به در ببرند و در مدارهای دوردست پیرامون کوتوله‌های سفید قرار بگیرند. این سامانه‌های بازمانده اکنون هدف‌های مهمی برای جست‌وجوهایی هستند که اجرام سیاره‌ای در حال گردش به دور ستاره‌های مرده را بررسی می‌کنند، از جمله سرنوشت جوها و ذخایر مواد فرار.

از نظر فناوری، تلسکوپ‌های تازه و پیمایش‌های بلندمدت ضروری خواهند بود. اندازه‌گیری‌های دقیق بادهای ستاره‌ای، فهرست‌های گسترده‌تر از ستاره‌های خورشیدمانند تکامل‌یافته و محدودیت‌های بهتر درباره اینکه پوشش‌های همرفتی چگونه بر اتلاف کشندی اثر می‌گذارند، همگی پیش‌بینی‌ها را دقیق‌تر می‌کنند. در نهایت، پیوند دادن اخترفیزیک ستاره‌ای با پویایی سیاره‌ای، تصویر روشن‌تری از جمعیت‌شناسی کیهانی به دست می‌دهد: کدام سیاره‌ها از مرگ ستاره‌ای جان سالم به در می‌برند و کجا باید به دنبال آن‌ها بگردیم.

جمع‌بندی

تصویر شاعرانه بلعیده شدن زمین توسط خورشید همچنان ممکن است، اما اجتناب‌ناپذیر نیست. مدل‌های بهبودیافته نشان می‌دهند که مسیری واقع‌بینانه وجود دارد که در آن زمین به بیرون رانده شود، از سوختن بگریزد و مدار طولانی خود را پیرامون یک کوتوله سفید به پایان برساند. اما هشدار مهمی باقی می‌ماند: عدم قطعیت در کاهش جرم ستاره‌ای و فیزیک کشندی هنوز هر دو سرنوشت را ممکن می‌داند. به بیان دیگر، سیاره ما شاید از آغوش غول سرخ خورشید بگریزد، اما پایان دقیق داستان به جزئیات ستاره‌ای وابسته است که هنوز در حال کشف آن‌ها هستیم.