太陽系巨行星在十分之九的模擬中分崩離析

木星、土星、天王星和海王星長久以來被視為太陽系中最耐久的機械裝置，其軌道被認為能比宇宙本身多存活好幾倍。新的模擬顯示，太陽本身在死亡時將摧毀這套機械，最可能是在它變成白矮星後約十億年內。

罪魁禍首是太陽減輕重量的方式。先前的計算假設垂死的太陽會平順地剝離其外層，像緩慢漏氣一樣，這會拉伸每一條軌道而不擾亂行星的秩序。由加州理工學院的康斯坦丁·巴蒂金（Konstantin Batygin）與吉姆·富勒（Jim Fuller），以及密西根大學的弗雷德·亞當斯（Fred Adams）所進行的新研究，從證據出發，指出垂死的恆星會以分離且不對稱的爆發方式拋出其包層。每一次爆發都給太陽一個小小的推力，而行星感受到每一次推力。

在數百個模擬的未來中，這些推力累積起來。在作者認為最接近觀測結果的情境中，約有40%的模擬太陽系在白矮星形成時就已經被擾亂或劇烈打亂，而大約十分之九在30億年內解體。在某些模擬中，土星被完全拋出太陽系。在其他模擬中，天王星和海王星交換了位置。

如果這個結果成立，太陽系的終結就不再是一顆路過恆星造成的遙遠意外。它成為太陽死亡過程的一部分，而同樣的邏輯適用於銀河系中幾乎每一個行星系統，因為幾乎所有恆星都以白矮星結束生命。

為何垂死的太陽會踢自己的行星

大約在50億年後，太陽將膨脹成紅巨星，在其巨星階段它將失去約46%的質量。由於拉住它們的質量減少，行星向外漂移。在平順的圖景中，每一條軌道會放大約1.85倍，因此外太陽系會變成我們所知的太陽系的一個更大、更慢的副本。

質量損失並非平順進行的線索來自歐洲太空總署的恆星測繪衛星蓋亞（Gaia）。透過追蹤相距遙遠的互繞恆星對，天文學家發現新生的白矮星移動時，彷彿被以每秒約0.75公里（約每小時2,700公里）的速度踢了一腳。一顆均勻向各方向拋出氣體的恆星根本不會受到任何踢擊。

主要的解釋——富勒最近提出的一個架構——是紅巨星的包層以離散的羽狀物形式離開，這些羽狀物由其外層的翻攪所驅動。結合多面鏡子光線的望遠鏡已經顯示，在衰老的巨星周圍有分離且移動的塵埃雲。每一股羽狀物都會將恆星稍微推向一個隨機方向，而這些推力累積起來就形成了觀測到的踢擊。

對行星而言，給太陽的一推就是同時給每一條軌道的一推。在研究參考案例中，太陽接收到約4,600次反衝，每次速度為每秒數公尺，中位數約為每秒7公尺。單獨來看它們都很微小。由於它們在每顆行星軌道上的隨機點發生作用，它們不會互相抵消，軌道開始漂移。「當包層以碎片方式離開時，一切都改變了，」作者寫道。

他們如何進行

研究團隊使用了rebound——一個廣泛使用的開源程式碼，用於計算天體在彼此引力下的運動——並將其與使用MESA（一個標準的恆星演化程式）建立的太陽演化模型配對。四顆巨行星從它們當前的位置和速度開始，然後太陽沿著該模型軌跡失去質量。

首先是對照實驗。在超過60次平順質量損失的模擬中，結果從未改變：軌道膨脹，行星軌道週期之間的比例保持不變，系統在數十億年內保持穩定。

然後研究人員將質量損失分解成碎片。他們進行了672次模擬，改變每次噴出的氣體包裹大小，從太陽質量的千萬分之一到萬分之一，並改變爆發是否貫穿太陽的所有巨星階段，或者僅是最後一個階段——稱為漸近巨星分支。然後每個最終狀態再被追蹤30億年，沒有路過恆星或其他外部干擾。

從10¹⁸年到約十億年

被取代的數字極為龐大。僅混沌本身就被估計需要約10¹⁸年——即十億個十億年——才能使天王星不穩定。加上路過恆星——它們發現擴大的軌道更容易成為目標——將估計值縮減到300億到1000億年之間。宇宙年齡約為138億年。

在作者偏好的校準下，太陽系現在在白矮星形成後約十億年自行解體，比預期等待第一顆具破壞性的路過恆星快了100倍。在最劇烈的模擬中，海王星的軌道被拉伸至離心率約0.5，因此它與太陽的距離在最近點和最遠點之間會擺動三倍。

麻煩並不總是等到太陽死亡完畢才發生。在偏好情境的48次模擬中，有37次在質量損失結束前軌道就開始交叉，最早的一次發生在太陽仍是紅巨星、持有當前質量89%的時候。在一個例子中，土星在白矮星誕生後250萬年內被彈出，留下天王星和海王星鎖在一起。

艾薩克·牛頓（Isaac Newton）曾懷疑木星和土星的相互引力最終會破壞行星的秩序。拉普拉斯（Laplace）和拉格朗日（Lagrange）後來證明，在他們的近似程度下，軌道只是振盪，而三個世紀的計算不斷將結論推得更遠。「牛頓所設想的不穩定性終究是真實的。他唯一弄錯的是肇事者，」作者總結道。

並非每一個結果都是毀滅性的。有些模擬將行星對鎖定在共振中——一種太陽系從未有過的節奏性軌道模式：木星和土星以5:2的比例，或者天王星每完成兩圈軌道時海王星完成一圈。在672次模擬中有8次兩對行星同時被鎖定。這些鎖定的系統並不更安全，而且在最細粒度的模擬中，它們存活的機率略低於其他系統。

模擬未能解決的問題

一切都取決於一個沒有人直接測量過的量：每次噴出的氣體有多大。如果太陽以質量千萬分之一或更小的包裹拋出其包層，那麼爆發大多會平均掉，太陽系會以自身放大版存活下來。一旦包裹達到約太陽質量的十萬分之一，暴力結果就會佔主導。

從蓋亞踢擊到包裹大小的橋樑也是一種解釋。它假設踢擊來自許多獨立的噴發。作者認為，即使測量範圍的低端——每秒0.25公里——也意味著包裹已經處於暴力區間。他們也指出，他們的主要情境將爆發延伸到漸近巨星分支之外，而該階段是模型校準最好的階段。將爆發限制在該階段消除了紅巨星時期的所有早期解體，然而仍有83%的系統在30億年內變得不穩定。

這項工作將內行星擱置一旁。它只追蹤四顆巨行星，因此水星、金星、地球和火星不在計算之內。先前的研究將水星自身的風險定為約1%：即在其軌道在太陽離開當前氫燃燒階段之前變得不穩定的機率。

該理論也做出了天文學家可以檢驗的預測。如果垂死的恆星經常搖落其行星，那麼年輕的白矮星應該伴隨著一群自由漂浮的行星。在這些模擬中，巨行星被彈出的次數遠多於撞在一起，而確實落入白矮星的碎片應該主要來自岩石天體而非巨行星，這與迄今在受污染白矮星中測量到的岩石物質相符。

關於太陽死亡與行星的常見問題

太陽死亡時太陽系會解體嗎？

根據這些模擬，對巨行星而言很可能會。如果太陽像白矮星踢擊所暗示的那樣，以數千次分離爆發失去其外層，那麼大約十分之九的模擬系統在白矮星形成後30億年內變得不穩定。在平順質量損失下，行星保持穩定。

太陽何時會變成紅巨星？

大約在50億年後。太陽將在其巨星階段失去約46%的質量，最終成為質量約0.54太陽質量的白矮星。在這項研究中，解體發生在質量損失期間或之後的數十億年內。

什麼是白矮星踢擊？

這是恆星在變成白矮星時似乎獲得的小速度，根據蓋亞對寬距恆星對的測量，約為每秒0.75公里。踢擊意味著恆星不均勻地失去其氣體，而每一次不均勻的爆發也會推動任何在軌道上的行星。

土星真的會被拋出太陽系嗎？

在某些模擬中，是的。在一次模擬中，土星在白矮星形成後250萬年內被彈出。在巨行星中，彈出比碰撞更常見，因此失去的行星會作為自由漂浮的世界在銀河系中漂移。

接下來會發生什麼

該研究於2026年9月發表在The Astrophysical Journal Letters，此前在arXiv上發布了預印本，並於10月12日獲得廣泛報導。其核心數字可以通過更多蓋亞對白矮星踢擊的測量以及更好的巨星噴射氣體模型來精確化。作者還指出，目前在白矮星周圍發現的行星和碎片記錄了每顆恆星死亡的方式，因此每一個新系統的計數都在檢驗太陽的巨行星是註定毀滅還是僅僅被放大。

參考文獻：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

標籤: 天文學, 白矮星, Caltech, Konstantin Batygin, University of Michigan, 太陽