¿Dónde estará la zona habitable cuando el Sol se convierta en una gigante roja?

Question

En unos 5 mil millones de años, cuando nuestro Sol se expanda en una gigante roja haciendo que nuestro planeta sea inhabitable, ¿dónde estará la nueva zona de habitabilidad? ¿Podría surgir vida en un nuevo planeta en la zona de habitabilidad? ¿Ambiente adecuado para la vida humana?

Answer 1

La zona habitable se define típicamente como el rango de órbitas donde el agua líquida puede persistir en un planeta. Esto es algo mal definido, ya que la modelización del clima de planetas con diversas propiedades (densidad y composición atmosférica, rotación, etc.) cambia las distancias donde el agua puede persistir. Pero, como aproximación inicial, la zona habitable escala como $R_{hz}=\sqrt{L/L_\odot}$ UA, con límites difusos en algún punto alrededor de $0.7 R_{hz}$ y $1.4 R_{hz}$ (Venus y Marte podrían haber sido habitables de haber ocurrido de manera diferente). Diferentes fuentes te darán diferentes límites.

Aquí usaré el modelo estelar de Schröder, K. P., & Connon Smith, R. (2008). Distant future of the Sun and Earth revisited. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386(1), 155-163.

A medida que el sol evoluciona, primero se convertirá en una subgigante. Se estima que el sol alcanzará su temperatura superficial más caliente de 5820 K en 2.55 Gyr con una luminosidad 1.26 veces más brillante que en la actualidad. En este punto, Marte (orbitando entre 1.38 y 1.52 UA) podría parecer realmente habitable. Esto seguirá siendo mucho después de que se espera que falle la biosfera de la Tierra (en 1.6 Gyr, según algunas estimaciones).

En aproximadamente 5.42 Gyr, el sol comienza realmente a convertirse en una gigante roja. La luminosidad aumenta de 1.84 veces la luminosidad actual a 2730 veces en 7.59 Gyr. Malas noticias obvias para Marte. Pero ahora la zona habitable se extiende hacia el cinturón de Kuiper.

Existen algunas complicaciones aquí debido a la pérdida de masa. La luminosidad aumenta de manera no lineal. Como gigante roja, el sol también perderá cantidades significativas de masa, lo que hará que los planetas se desplacen hacia afuera. (Esto también es la razón por la cual hay desacuerdo sobre si la Tierra será absorbida por el sol o escapará; esto depende de muchos factores con una gran incertidumbre en los modelos).

Un artículo anterior de Schroeder, Smith and Apps estimó el tiempo en que diferentes planetas y lunas estarían en la zona de vida. Marte, según ellos, estaría en la zona habitable en 11.6-11.7 Gyr. Sugieren que las lunas de Júpiter estarían allí en 12.07-12.10 Gyr, Saturno (Titán) en 12.139-12.147 Gyr, Urano (Oberón) en 12.162-12.164, y Neptuno realmente nunca obtiene ningún período habitable. Ten en cuenta que los intervalos de tiempo son realmente cortos, solo unos pocos millones de años en el sistema externo. Peor aún, los períodos están temporalmente desarticulados: el sistema solar no será continuamente habitable.

Por lo tanto, hay cierto desacuerdo entre los artículos sobre los periodos de habitabilidad de Marte, pero parece claro que habrá un momento en el futuro en el que Marte (si se le proporcionan suficientes volátiles) podría ser habitable. No esperaría mucho de las lunas de los gigantes gaseosos, aunque serían un entorno fascinante.

Answer 2

Cada respuesta en el momento en que escribí esta respuesta mía se centró solo en la etapa final y más catastrófica de la "gigante roja". De hecho, la evolución del Sol después de que abandona la secuencia principal es un asunto más progresivo. Así que permítanme llenar ese vacío.

Lo que en realidad se llama la etapa de gigante roja (RG) no es tan locamente brillante en realidad, y luego, después de culminar en lo que se llama el destello de helio (debido a una breve fase de fusión nuclear de ese elemento), le sigue una fase aún menos brillante conocida como la rama horizontal (HB) cuyo nombre proviene del hecho de que la luminosidad varía muy poco. Luego, y solo entonces, comienza la etapa final catastrófica considerada en las otras respuestas, que se llama la rama gigante asintótica (AGB). Los diagramas siguientes muestran todo esto esquemáticamente (eje horizontal en mil millones de años, eje vertical en luminosidad relativa en comparación con el Sol en la actualidad):

Esto se toma del artículo clásico sobre la Zona Habitable de Kasting et al [KWR93] y, citando a los autores

Observen los cambios en la escala de tiempo a los 10 y 11 mil millones de años. La discontinuidad a los 11 mil millones de años es causada por el destello de helio. [...] La fase final de la enana blanca no se muestra. Los detalles de la evolución durante las fases HB y AGB se omiten.

Así que las otras respuestas se centran específicamente en la etapa AGB. Pero claramente la etapa RG correcta y la etapa HB intermedia tienen luminosidades mucho más razonables que deberían dar zonas habitables todavía dentro de nuestro sistema solar.

Wikipedia tiene un diagrama más detallado para la evolución del Sol, que también proporciona la temperatura, que necesitamos para calcular la zona habitable.

Voy a usar el modelo en [KRS+14], que es el mismo artículo citado por @KyleOman. Consideraré tres hitos: el fin de la secuencia principal, el final de la gigante roja justo antes del destello de helio, el final de la rama horizontal.

• fin de MS: luminosidad 3, temperatura 5500 K;
• fin de RG: luminosidad 300, temperatura 3200 K;
• fin de HB: luminosidad 20, temperatura 5000K.

Obtengo para el límite interior y exterior de la zona habitable, en UA,

• fin de MS: 1.7 — 3,
• fin de RG: 18 — 35,
• fin de HB: 4 — 8.

Esto se compara con las siguientes distancias aproximadas:

• marte: 1.5 UA,
• júpiter: 5 UA,
• saturno: 9 UA,
• urano: 20 UA,
• neptuno: 30 UA.

Definitivamente, las lunas de algunos de los planetas gigantes estarían en la zona habitable en algunas de las etapas después de que el Sol haya abandonado la secuencia principal y antes de la catastrófica rama gigante asintótica.

[KWR93] James F. Kasting, Daniel P. Whitmire y Ray T. Reynolds. Zonas habitables alrededor de estrellas de la secuencia principal. Icarus, 101(1):108 – 128, 1993.

[KRS+14] Ravi Kumar Kopparapu, Ramses M. Ramirez, James SchottelKotte, James F. Kasting, Shawn Domagal-Goldman y Vincent Eymet. Zonas habitables alrededor de estrellas de la secuencia principal: Dependencia de la masa planetaria. The Astrophysical Journal Letters, 787(2):L29, 2014. [arxiv:1404.5292]

Answer 3

Cuando dices 'hace que nuestro planeta sea inhabitable', eso es bastante subestimado, ya que en realidad estará dentro del Sol (no es que haya un borde duro, pero entiendes la idea).

Tomando algunos valores nominales para una estrella gigante roja:

• temperatura efectiva $5000\,{\rm K}$
• luminosidad $5000\,{\rm L}_\odot$

Esta calculadora (basada en estos documentos) da una zona habitable de $70-130\,{\rm UA}$. Para contexto, Plutón está a alrededor de $40\,{\rm UA}$... Incluso una gigante roja de $1000\,{\rm L}_\odot$ empuja la zona habitable hasta al menos $30\,{\rm UA}$, es decir, la órbita de Neptuno.

En términos de habitabilidad, es difícil imaginar algo en el Sistema Solar siendo habitable, ya que no se conocen planetas$^1$ tan lejos. Hay cuerpos más pequeños, pero sin atmósferas, estos serán una venta difícil para futuros agentes de bienes raíces.

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$^1$Está ese tema del Planeta 9, pero eso ha sido ampliamente desacreditado, al menos por el momento.

Answer 4

Afortunadamente, nuestra galaxia no durará tanto. El Súper Cúmulo de Shapely está atrayendo cientos de galaxias, incluyendo nuestra Vía Láctea, hacia una gran anomalía gravitacional llamada "El Gran Atractor". Está a solo 220 millones de años de distancia... Lo cual es bastante rápido si se compara con cinco mil millones de años. El Sol estará bien por mucho tiempo porque no tiene ni de cerca la densidad/masa suficiente para supernova.