books the sun and planetary environments

مع مرور الزمن وعلى المدى الطويل، ستأتي أكبر التغييرات في النظام الشمسي من التغيرات التي ستلحق بالشمس نفسها، فالشمس تحرق 600 مليون طن من ذرات الهيدروجين كل ثانية، وعند احتراق الهيدروجين يتمركز الهيليوم في نواتها تدريجيًّا حتى تنتهي كمية الهيدروجين الموجودة في النواة وتُستبدل بالهيليوم، أثناء هذه العملية تحدث تفاعلات الاندماج النووي السريع، وتصدر الشمس مزيدًا من الطاقة، وتصبح أكثر إشراقًا بنحو عشرة بالمئة كل 1.1 مليار سنة.

في غضون 600 مليون سنة، سيكون سطوع الشمس قد عطل دورة الكربون على الأرض لدرجة أن الأشجار والغابات (ذات التمثيل الضوئي ثلاثي الكربون) لن تكون قادرة على البقاء؛ وفي حوالي 800 مليون سنة، ستكون الشمس قد قتلت جميع أشكال الحياة المعقدة على سطح الأرض وفي المحيطات، وفي غضون 1.1 مليار سنة، سوف يتسبب ناتج إشعاع الشمس المتزايد في تحرك المنطقة الصالحة للسكن على مدار كوكب الأرض، مما يجعل سطح الأرض شديد الحرارة بحيث لا يتواجد الماء السائل هناك بشكل طبيعي. في هذه المرحلة، ستختزل الحياة كلها إلى كائنات وحيدة الخلية. يمكن أن يؤدي تبخر الماء، وهو أحد الغازات الدفيئة القوية، من سطح المحيطات إلى تسريع زيادة درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى إنهاء جميع أشكال الحياة على الأرض في وقت أقرب. خلال هذا الوقت، من المُتوقع أنه مع الارتفاع التدريجي في درجة حرارة سطح المريخ، سينطلق ثاني أكسيد الكربون والماء المتجمد حاليًّا تحت الثرى السطحي في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري التي ستسخن الكوكب حتى تصل إلى ظروف موازية للأرض اليوم. مما يوفر مسكنًا مستقبليًّا مُحتملاً مدى الحياة. وبحدود 3.5 مليار سنة من الآن، ستكون ظروف سطح الأرض مماثلة لتلك الموجودة في كوكب الزهرة اليوم.

في حول 5.4 مليار سنة من الآن، سيصبح لب الشمس ساخنًا بدرجة كافية لتحفيز اندماج الهيدروجين في غلافه المحيط، وسيؤدي هذا إلى تمدد الطبقات الخارجية للنجم بشكل كبير، وسيدخل النجم مرحلة من حياته يسمى فيها العملاق الأحمر. ضمن 7.5 مليار سنة، ستتوسع الشمس إلى دائرة نصف قطرها 1.2 وحدة فلكية أي 256 ضعف حجمها الحالي. عند طرف فرع العملاقة الحمراء، ونتيجة لزيادة مساحة السطح بشكل كبير، سيكون سطح الشمس أكثر برودة (حوالي 2600 كيلو) من الآن وإضاءتها أعلى بكثير - تصل إلى 2700 اللمعان الشمسي الحالي. بالنسبة لجزء من حياتها العملاقة الحمراء، سيكون للشمس رياح نجمية قوية ستحمل حوالي 33٪ من كتلتها. خلال هذه الأوقات، من الممكن أن يتمكن قمر زحل تيتان من تحقيق درجات حرارة السطح اللازمة لدعم الحياة.

مع توسع الشمس، سوف تبتلع الكواكب عطارد والزهرة. مصير الأرض أقل وضوحا؛ على الرغم من أن الشمس ستغلف المدار الحالي للأرض، فإن فقدان النجم للكتلة (وبالتالي الجاذبية الأضعف) سيؤدي إلى تحرك مدارات الكواكب بعيدًا. إذا كان الأمر كذلك فقط، فمن المحتمل أن ينجو كوكب الزهرة والأرض من الحتراق. ولكن نشرت دراسة عام 2008 تشير إلى أنه من المحتمل ابتلاع الأرض نتيجة لتفاعلات المد والجزر مع الغلاف الخارجي الضعيف للشمس.

تدريجيًا، سيؤدي احتراق الهيدروجين في الغلاف المحيط بالنواة الشمسية إلى زيادة كتلة اللب حتى تصل إلى حوالي 45٪ من الكتلة الشمسية الحالية. عند هذه النقطة ستصبح الكثافة ودرجة الحرارة عالية جدًا بحيث يبدأ اندماج الهيليوم في الكربون، مما يؤدي إلى وميض الهيليوم؛ ستتقلص الشمس من حوالي 250 إلى 11 ضغف نصف قطرها الحالي (التسلسل الرئيسي). وبالتالي، سينخفض لمعانها من حوالي 3000 إلى 54 ضعف مستواها الحالي، وسترتفع درجة حرارة سطحها إلى حوالي 4770 كلفن. ستصبح الشمس عملاقًا أفقيًّا، تحرق الهيليوم في نواتها بطريقة مستقرة تشبه إلى حد كبير حرق الهيدروجين اليوم. ستستمر مرحلة صهر الهيليوم فقط 100 مليون سنة. وفي النهاية، سيتعين عليها أن تلجأ مرة أخرى إلى احتياطيات الهيدروجين والهيليوم في طبقاتها الخارجية وستتوسع مرة أخرى، وتتحول إلى ما يعرف باسم عملاق مقارب. هنا سيزداد لمعان الشمس مرة أخرى، ليصل إلى حوالي 2090 لمعانها الحالي، وسيبرد إلى حوالي 3500 تستمر هذه المرحلة حوالي 30 مليون سنة، وبعد ذلك، على مدار 100،000 سنة أخرى، فإن الطبقات الخارجية المتبقية للشمس سوف تتلاشى، مما يؤدي إلى طرد تيار واسع من المادة إلى الفضاء وتشكيل هالة تعرف باسم سديم كوكبي. ستحتوي المادة المقذوفة على الهيليوم والكربون الناتج عن تفاعلات الشمس النووية، مما يؤدي إلى استمرار تخصيب الوسط النجمي بالعناصر الثقيلة للأجيال القادمة من النجوم.

هذا حدث سلميّ نسبيًا، لا يشبه أي مستعر أعظم، الشمس أصغر من أن تمر به كجزء من تطورها. أي مراقب حاضر ليشهد هذا الحدث سيرى زيادة هائلة في سرعة الرياح الشمسية، ولكن ليس بما يكفي لتدمير كوكب بالكامل. ومع ذلك، فإن فقدان النجم للكتلة يمكن أن يرسل مدارات الكواكب الباقية إلى حالة من الفوضى، مما يتسبب في اصطدام بعضها ببعض، وطرد البعض الآخر من النظام الشمسي، وتحطم البعض الآخر بسبب تفاعلات المد والجزر. بعد ذلك، كل ما تبقى من الشمس هو قزم أبيض، جسم كثيف بشكل غير عادي، 54٪ من كتلته الأصلية ولكن فقط بحجم الأرض. في البداية، قد يكون هذا القزم الأبيض 100 مُضيئًا 100 مرة مثل الشمس الآن. وسوف تتكون بالكامل من مادة متحللة من الكربون و‌الأكسجين، ولكن لن يبلغ ارتفاع درجات الحرارة ما يكفي لصهر هذه العناصر. وهكذا تبرد الشمس القزمة البيضاء تدريجيًا وتزداد خفوتًا.

عندما تموت الشمس، تضعف قوة جاذبيتها للأجسام المدارية مثل الكواكب والمذنبات والكويكبات بسبب فقدان كتلتها، وستتوسع مدارات جميع الكواكب المتبقية؛ إذا كانت الزهرة والأرض والمريخ لا تزال موجودة، فإن مداراتها ستقع تقريبًا عند 1.4 وحدة فلكية (210,000,000 كـم)، و‌1.9 وحدة فلكية (280,000,000 كـم)، و‌2.8 وحدة فلكية (420,000,000 كـم). سيصبحون والكواكب الأخرى المتبقية هياكل مظلمة ومتجمدة وخالية تمامًا من أي شكل من أشكال الحياة. سيستمرون في الدوران حول نجمهم، وتباطأت سرعتهم بسبب المسافة المتزايدة من الشمس وانخفاض جاذبية الشمس. بعد ملياري سنة، عندما تبرد الشمس إلى مدى 6000-8000 كلفن، سيتجمد الكربون والأكسجين في لب الشمس، مع أكثر من 90٪ من كتلته المتبقية بافتراض بنية بلورية. في النهاية، بعد ما يقرب من 1 كوادريليون سنة، ستتوقف الشمس أخيرًا عن التألق تمامًا، لتصبح قزمًا أسود.