太阳系巨行星在十分之九的模拟中分崩离析

木星、土星、天王星和海王星长期以来被视为太阳系中最耐久的机械装置，其轨道预期能比宇宙本身多存活许多倍。新的模拟表明，太阳本身将在其死亡时摧毁这套机械装置，最可能发生在它变成白矮星后约十亿年内。

罪魁祸首是太阳减重的方式。此前的计算假设垂死的太阳会像缓慢漏气一样平稳地抛掉外层，这会使每一条轨道拉伸，但不会扰乱行星的秩序。新研究由加州理工学院的康斯坦丁·巴特金（Konstantin Batygin）和吉姆·富勒（Jim Fuller）以及密歇根大学的弗雷德·亚当斯（Fred Adams）完成，其出发点是：有证据表明，垂死的恒星会以分离的、不对称的爆发方式抛掉其包层。每一次爆发都会给太阳一个微小的推动，而行星感受到每一次推动。

在数百个模拟的未来中，这些推动累积起来。在作者认为最接近观测结果的场景中，大约40%的模拟太阳系在白矮星形成时就已经被扰乱或剧烈打乱，而大约十分之九的模拟系统在30亿年内解体。在某些运行中，土星被完全抛出太阳系。在其他运行中，天王星和海王星交换了位置。

如果这一结果成立，太阳系的终结就不再是由一颗过路恒星带来的遥远意外。它成为太阳死亡过程的一部分，同样的逻辑适用于银河系中几乎每一个行星系统，因为几乎所有恒星都以白矮星结束生命。

为什么垂死的太阳会踢自己的行星

大约50亿年后，太阳将膨胀成一颗红巨星，在其巨星阶段它将失去约46%的质量。由于拉住它们的质量减少，行星向外漂移。在平稳的图像中，每一条轨道都扩大约1.85倍，因此外太阳系将变成我们已知系统的一个更大、更慢的复制品。

质量损失并不平稳的线索来自盖亚（Gaia），欧洲航天局的恒星测绘卫星。通过追踪彼此在远距离上绕转的恒星对，天文学家发现新生的白矮星运动起来仿佛被以约0.75公里/秒（约2700公里/小时）的速度踢了一下。一颗均匀地向各个方向抛掉气体的恒星根本不会受到任何踢动。

主要的解释——富勒最近提出的一个框架——是红巨星的包层以离散的羽流形式离开，这些羽流由其外层对流驱动。结合多个镜面光线的望远镜已经显示出衰老巨星周围分离的、移动的尘埃云。每一股羽流都会将恒星向随机方向轻微推动，这些推动累积起来就形成了观测到的踢动。

对于行星而言，对太阳的一次推动就是对每一条轨道的同时推动。在该研究的参考案例中，太阳接收了大约4600次反冲，每次反冲的速度为每秒几米，中位数约为7米/秒。单独来看，它们微不足道。但由于它们发生在每颗行星轨道的随机点上，它们不会相互抵消，轨道开始漂移。“当包层以碎片形式离开时，一切都会改变，”作者写道。

他们是如何做的

该团队使用了rebound——一个广泛使用的开源代码，用于计算天体在相互引力作用下的运动——并将其与一个用MESA（标准恒星演化程序）构建的太阳演化模型配对。四颗巨行星从它们当前的位置和速度开始，然后太阳沿着该模型轨迹失去质量。

首先是控制实验。在60多次平稳质量损失的运行中，结果从未改变：轨道扩大，行星轨道周期之间的比率保持不变，系统在数十亿年内保持稳定。

然后研究人员将质量损失分解成碎片。他们运行了672次模拟，改变了每次抛出的气体包块的大小，从太阳质量的千万分之一到万分之一不等，并改变了这些爆发是贯穿太阳所有巨星阶段还是仅贯穿最后一个阶段（称为渐近巨星分支）。每个最终状态随后再被跟踪30亿年，期间没有过路恒星或其他外部干扰。

从10¹⁸年到大约十亿年

被取代的数字是巨大的。仅混沌本身就被估计需要大约10¹⁸年（即一百亿亿年）才能使天王星失稳。加上过路恒星——它们发现扩大的轨道更容易成为目标——将估计值缩短到300亿到1000亿年之间。宇宙的年龄约为138亿年。

在作者偏好的校准下，太阳系现在在白矮星形成后大约十亿年内自行解体，比预期中第一次破坏性过路恒星的等待时间快了一百倍。在最剧烈的运行中，海王星的轨道被拉伸至偏心率约0.5，因此它到太阳的距离在其最近点和最远点之间会摆动三倍。

麻烦并不总是等到太阳完全死亡才出现。在偏好场景的48次运行中，有37次在质量损失结束之前轨道就开始交叉，最早的一次发生在太阳仍是红巨星、仍持有当前质量89%的时候。在一个例子中，土星在白矮星诞生后250万年内就被抛出，留下天王星和海王星锁在一起。

艾萨克·牛顿曾怀疑木星和土星的相互引力最终会破坏行星的秩序。拉普拉斯和拉格朗日后来证明，在他们近似的水平上，轨道只是振荡，而三个世纪的计算不断将结论推得更远。“牛顿设想的不稳定性终究是真实的。他只是在肇事者上搞错了，”作者总结道。

并非所有结果都是破坏性的。一些运行将行星对困在共振中——这是太阳系从未有过的有节奏的轨道模式：木星和土星以5:2的比例，或者天王星每完成两圈轨道海王星才完成一圈。在672次模拟中，有8次两对行星同时被锁定。这些锁定系统并不更安全，在最精细的运行中，它们的存活率略低于其他系统。

模拟没有解决什么

一切都取决于一个没有人直接测量过的量：每次逸出气体喷发的大小。如果太阳以千万分之一太阳质量或更小的包块抛掉包层，那么爆发在很大程度上会平均掉，太阳系作为自身的放大版存活下来。一旦包块达到大约十万分之一太阳质量，暴力结果就开始占据主导。

从盖亚踢动到包块大小的桥梁也是一种解释。它假设踢动来自许多独立的抛射。作者认为，即使测量范围的低端（0.25公里/秒）也意味着包块已经处于暴力区间。他们还指出，他们的主要场景将爆发延伸到了渐近巨星分支之外——该模型在该阶段校准得最好。将爆发限制在该阶段消除了红巨星阶段的所有早期解体，然而仍有83%的系统在30亿年内变得不稳定。

该研究将内行星排除在外。它只追踪了四颗巨行星，因此水星、金星、地球和火星不在计算之内。早期研究将水星自身的风险定为约1%：即其轨道在太阳离开当前氢燃烧阶段之前变得不稳定的概率。

该理论也做出了天文学家可以检验的预测。如果垂死的恒星经常摇散它们的行星，那么年轻的白矮星应该伴随一群自由漂浮的行星。在这些模拟中，巨行星被抛出的频率远高于碰撞，而最终落到白矮星上的碎片应该主要来自岩石天体而非巨行星，这与迄今为止在受污染白矮星中测量到的岩石物质相符。

关于太阳死亡和行星的常见问题

太阳死亡时太阳系会解体吗？

根据这些模拟，对于巨行星来说很可能是的。如果太阳以数千次分离爆发的方式失去其外层——正如白矮星踢动所暗示的那样——大约十分之九的模拟系统在白矮星形成后30亿年内变得不稳定。在平稳质量损失的情况下，行星保持稳定。

太阳何时会变成红巨星？

大约50亿年后。太阳随后将在其巨星阶段失去约46%的质量，最终成为一颗约0.54太阳质量的白矮星。在该研究中，解体发生在质量损失期间或之后的几十亿年内。

什么是白矮星踢动？

它是指恒星在变成白矮星时似乎获得的一个小速度，根据盖亚对宽双星的测量，约为0.75公里/秒。踢动意味着恒星不均匀地失去了气体，而每一次不均匀的爆发也会推动任何轨道上的行星。

土星真的会被抛出太阳系吗？

在某些模拟中，是的。在一次运行中，土星在白矮星形成后250万年内就被抛出。在巨行星中，抛射比碰撞更常见，因此丢失的行星会作为自由漂浮的世界在银河系中漂移。

接下来是什么

该研究于2026年9月发表在《天体物理杂志快报》上，此前已在arXiv上发布预印本，并于10月12日获得更广泛的报道。其核心数字可以通过更多盖亚对白矮星踢动的测量以及更好的巨星抛射气体模型来精确化。作者还指出，目前在白矮星周围发现的行星和碎片记录了每颗恒星如何死亡，因此每发现一个新的系统都在检验太阳的巨行星是注定毁灭还是仅仅被放大。

参考文献：Batygin et al., “Terminal Instability of the Solar System Triggered by Stochastic Solar Mass Loss,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aea290

标签: 天文学, 白矮星, Caltech, Konstantin Batygin, University of Michigan, 太阳