Wo wird die Goldilocks-Zone sein, wenn die Sonne ein roter Riese wird?

Die bewohnbare Zone wird typischerweise als der Bereich von Umlaufbahnen definiert, in denen flüssiges Wasser auf einem Planeten bestehen bleiben kann. Dies ist etwas schlecht definiert, da die Klimamodellierung von Planeten mit verschiedenen Eigenschaften (Atmosphärendichte und -zusammensetzung, Rotation usw.) die Entfernungen ändert, in denen Wasser bestehen bleiben kann. Aber in erster Näherung skaliert die bewohnbare Zone als$R_{hz}=\sqrt{L/L_\odot}$AU, mit unscharfen Grenzen irgendwo herum$0.7 R_{hz}$und$1.4 R_{hz}$(Venus und Mars wären vielleicht, wenn die Dinge anders gelaufen wären, bewohnbar gewesen). Unterschiedliche Quellen geben Ihnen unterschiedliche Grenzwerte.

Hier verwende ich das Sternmodell in Schröder, KP, & Connon Smith, R. (2008). Die ferne Zukunft der Sonne und der Erde noch einmal besucht. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386(1), 155-163 .

Wenn sich die Sonne entwickelt, wird sie zunächst zu einem Unterriesen. Es wird geschätzt, dass die Sonne ihre heißeste Oberflächentemperatur von 5820 K in 2,55 Gyr mit einer 1,26-mal helleren Leuchtkraft als derzeit erreicht. An diesem Punkt könnte der Mars (der zwischen 1,38 und 1,52 AE umkreist) tatsächlich beginnen, bewohnbar auszusehen. Dies ist immer noch ein langer Weg, nachdem erwartet wird, dass die Biosphäre der Erde versagt (in 1,6 Gyr, nach einigen Schätzungen ).

In etwa 5,42 Gyr beginnt die Sonne wirklich rot zu werden. Die Leuchtkraft schießt vom 1,84-fachen der aktuellen Leuchtkraft auf das 2730-fache in 7,59 Gyr hoch. Offensichtlich schlechte Nachrichten für den Mars. Aber jetzt breitet sich die bewohnbare Zone in Richtung des Kuipergürtels aus.

Hier gibt es einige Komplikationen aufgrund von Massenverlust. Die Leuchtkraft nimmt nichtlinear zu. Als roter Riese wird die Sonne auch erhebliche Mengen an Masse verlieren, wodurch sich die Planeten spiralförmig nach außen drehen. (Deshalb gibt es auch Meinungsverschiedenheiten darüber, ob die Erde von der Sonne absorbiert wird oder entweicht; dies hängt von vielen Faktoren mit großer Modellunsicherheit ab.)

Eine frühere Arbeit von Schroeder, Smith und Apps schätzte die Zeit, in der sich verschiedene Planeten und Monde in der Lebenszone befinden würden. Mars wäre ihnen zufolge in 11,6-11,7 Gyr im bewohnbaren. Sie schlagen vor, dass Jupiters Monde in 12.07-12.10 Gyr, Saturn (Titan) 12.139-12.147 Gyr, Uranus (Oberon) 12.162-12.164 dort sein würden und Neptun nie wirklich eine bewohnbare Periode bekommt. Beachten Sie, dass die Zeitintervalle wirklich kurz sind, nur wenige Millionen Jahre im äußeren System. Schlimmer noch, die Perioden sind zeitlich unzusammenhängend: Das Sonnensystem wird nicht durchgehend bewohnbar sein.

Es gibt also einige Meinungsverschiedenheiten zwischen den Papieren über die Bewohnbarkeitsperioden des Mars, aber es scheint klar zu sein, dass es in der Zukunft eine Zeit geben wird, in der der Mars (wenn er genügend flüchtige Stoffe erhält) bewohnbar sein könnte. Von den Gasriesenmonden würde ich nicht viel erwarten, obwohl sie eine faszinierende Kulisse abgeben würden.

Jede Antwort zu der Zeit, als ich diese meine Antwort schrieb, konzentrierte sich nur auf das letzte und katastrophalste Stadium des "Roten Riesen". Tatsächlich ist die Evolution der Sonne, nachdem sie die Hauptreihe verlassen hat, eine progressivere Angelegenheit. Lassen Sie mich also diese Lücke füllen.

Was eigentlich das Stadium des Roten Riesen (RG) genannt wird, ist eigentlich nicht so verrückt hell, und dann, nachdem es in dem sogenannten Heliumblitz gipfelt (wegen einer kurzen Phase der Kernfusion dieses Elements), folgt ihm ein Gleichmäßiges weniger helle Phase, bekannt als horizontaler Zweig (HB), dessen Name von der Tatsache kommt, dass die Leuchtkraft sehr wenig variiert. Dann, und nur dann, beginnt das in den anderen Antworten betrachtete katastrophale Endstadium, das als asymptotischer Riesenast (AGB) bezeichnet wird. Die folgenden Diagramme zeigen all dies schematisch (horizontale Achse in Milliarden Jahren, vertikale Achse in relativer Leuchtkraft im Vergleich zur Sonne in der Gegenwart):

Dies ist dem klassischen Artikel über die bewohnbare Zone von Kasting et al [KWR93] entnommen und zitiert die Autoren

Beachten Sie die Änderungen der Zeitskala bei 10 und 11 Gyr. Die Diskontinuität bei 11 Gyr wird durch den Heliumblitz verursacht. [...] Die Endphase des Weißen Zwergs ist nicht dargestellt. Details der Entwicklung während der HB- und AGB-Phasen werden weggelassen.

Daher konzentrieren sich die anderen Antworten speziell auf die AGB-Phase. Aber die eigentliche RG-Stufe und die mittlere HB-Stufe haben eindeutig viel vernünftigere Leuchtkräfte, die bewohnbare Zonen noch innerhalb unseres Sonnensystems ergeben sollten.

Wikipedia hat ein detaillierteres Diagramm für die Entwicklung der Sonne, das auch die Temperatur angibt, die wir zur Berechnung der habitablen Zone benötigen.

Ich werde das Modell in [KRS+14] verwenden, das ist derselbe Artikel, der von @KyleOman zitiert wird. Ich werde drei Meilensteine ​​betrachten: das Ende der Hauptsequenz, das Ende des Roten Riesen kurz vor dem Heliumblitz, das Ende des horizontalen Zweigs.

• Ende MS: Leuchtkraft ⨉ 3, Temperatur 5500 K;
• Ende RG: Leuchtkraft ⨉ 300, Temperatur 3200 K;
• Ende HB: Leuchtkraft ⨉ 20, Temperatur 5000K.

Ich bekomme für die innere und äußere Grenze der bewohnbaren Zone, in AU,

• Ende MS: 1,7 – 3,
• Ende RG: 18 — 35,
• Ende HB: 4 — 8.

Dies ist mit folgenden groben Entfernungen zu vergleichen:

• Mars: 1,5 AE,
• Jupiter: 5 AU,
• Saturn: 9 AE,
• Uranus: 20 AU,
• Neptun: 30 AE.

Die Satelliten einiger der Riesenplaneten würden sich also definitiv in einigen Stadien in der bewohnbaren Zone befinden, nachdem die Sonne die Hauptreihe verlassen hat und vor dem katastrophalen asymptotischen Riesenast.

[KWR93] James F. Kasting, Daniel P. Whitmire und Ray T. Reynolds. Bewohnbare Zonen um Hauptreihensterne. Ikarus, 101(1):108 – 128, 1993.

[KRS+14] Ravi Kumar Kopparapu, Ramses M. Ramirez, James SchottelKotte, James F. Kasting, Shawn Domagal-Goldman und Vincent Eymet. Bewohnbare Zonen um Hauptreihensterne: Abhängigkeit von der Planetenmasse. The Astrophysical Journal Letters, 787(2):L29, 2014. [arxiv:1404.5292]

Wenn Sie sagen "macht unseren Planeten unbewohnbar", ist das eine ziemliche Untertreibung, da er sich tatsächlich in der Sonne befinden wird (nicht, dass es eine harte Kante gibt, aber Sie verstehen die Idee).

Auswahl einiger Nennwerte für einen roten Riesenstern:

• wirksame Temperatur$5000\,{\rm K}$
• Helligkeit$5000\,{\rm L}_\odot$

Dieser Rechner (basierend auf diesen Papieren ) gibt eine bewohnbare Zone an$70-130\,{\rm AU}$. Für den Kontext ist Pluto ungefähr$40\,{\rm AU}$... Sogar ein Weichei$1000\,{\rm L}_\odot$Roter Riese schiebt die bewohnbare Zone auf mindestens hinaus$30\,{\rm AU}$, dh die Umlaufbahn des Neptun.

In Bezug auf die Bewohnbarkeit ist es schwer vorstellbar, dass irgendetwas im Sonnensystem bewohnbar ist, da es keine bekannten Planeten gibt$^1$so weit draußen. Es gibt kleinere Körper, aber ohne Atmosphäre werden diese für zukünftige Immobilienmakler schwer zu verkaufen sein.

$^1$Da ist diese Sache mit Planet 9, aber das wurde zumindest für den Moment weitgehend entlarvt .

Glücklicherweise hält unsere Galaxie nicht so lange. Der Shapely-Super-Cluster zieht Hunderte von Galaxien, einschließlich unserer Milchstraße, in eine große Gravitationsanomalie namens "The Great Attractor". Es ist nur 220 Millionen Jahre entfernt ... Was im Vergleich zu fünf Milliarden Jahren ziemlich schnell ist. Die Sonne wird für lange Zeit in Ordnung sein, weil sie nicht annähernd die Dichte/Masse einer Supernova hat.