The fate of Earth during the Sun's giant phases: New constraints from ab initio tidal modelling and AGB mass loss

技术摘要：太阳巨星阶段期间地球的命运

问题陈述
类太阳恒星周围行星系统的长期演化受控于恒星膨胀、潮汐相互作用以及红巨星支（RGB）和渐近巨星支（AGB）阶段质量损失之间复杂的相互作用。天体物理学中的一个核心不确定性在于，随着太阳脱离主序阶段，地球的最终命运如何。以往的文献给出了相互矛盾的结论：一些研究预测地球将在 RGB 或 AGB 阶段被吞噬（例如 Rybicki & Denis 2001; Schröder & Smith 2008），而另一些研究则认为地球会幸存（例如 Sackmann et al. 1993; Nordhaus et al. 210）。这些差异主要源于对潮汐耗散效率和恒星质量损失率的不同假设，而这两者在观测上的约束都仍然非常微弱。

方法论
为了解决这些不确定性，作者使用了一个综合数值框架对内太阳系的轨道演化进行了建模。

• 恒星演化： 他们利用 MESA 代码模拟了太阳从前主序阶段到白矮星阶段的演化，采用太阳质量 $1 M_\odot$ 和金属丰度 $Z=0.0134$。质量损失在 RGB 阶段采用 Reimers 处方进行建模（校准为 $\eta_{Reimers} = 0.477$），在 AGB 阶段采用 Blöcker 处方。
• 轨道动力学： 轨道演化通过积分两个主要机制的微分方程来计算：由恒星质量损失（风）引起的轨道扩张，以及由潮汐耗散引起的轨道衰减。
• 潮汐物理学： 一项关键的方法论进展是使用了源自 Esseldeurs et al. (2024) 的 ab initio（从头算）潮汐耗散处方。这些处方结合了关于内部恒星结构和动力学的最新理解，包括与渐进内部重力波相关的动力潮汐。这种方法取代了许多先前研究中使用的简化平衡潮汐理论（例如 Zahn 1 1966）。
• 参数探索： 研究系统地改变了 AGB 质量损失效率参数（$\eta_{Blöcker}$）在 0.01 到 0.5 之间，以评估敏感性。此外，作者使用 AGB 星 L2 Pup 作为未来太阳的观测代理来约束质量损失率，并将源自尘埃发射与源自 CO 发射的估算值进行了比较。

关键结果
模拟表明，地球的命运对特定的潮汐模型和假设的质量损失率高度敏感：

1. 潮汐耗散敏感性： 当使用更新的 ab initio 潮汐处方（Esseldeurs et al. 2024）时，潮汐耗散比以往的模型更弱。因此，地球的轨道能够充分扩张，从而避免在 RGB 和 AGB 阶段被吞噬。相比之下，使用旧处方（例如基于 Zahn 1966 的 Mustill & Villaver 2012）的模拟预测了更强的潮汐耗散，导致轨道收缩并在 AGB 阶段最终被吞噬。
2. 质量损失率敏感性： 结果同样关键取决于 AGB 质量损失率。低质量损失率（对应于 $\eta_{Blöcker} \leq 0.02$）会导致太阳膨胀至或超过洛希瓣半径，很可能导致地球被吞噬。相反，较高的质量损失率（$\eta_{Blöcker} \geq 0.04$）允许恒星足够迅速地失去质量，从而防止恒星半径达到地球轨道，确保其幸存。
3. 观测约束： 通过使用 L2 Pup 的观测质量损失率作为代理，研究发现，基于尘埃的速率（意味着高 $\eta_{Blöcker}$）支持地球幸存，而基于 CO 的速率（意味着极低的 $\eta_{Blöcker}$）则暗示了更高的吞噬风险。然而，作者指出，当结合其更新的潮汐模型时，基于尘埃的速率与生存情景更为一致。

意义与结论
本文得出结论，地球及内太阳系的生存尚未得到稳健的确定，因为它取决于对潮汐耗散和恒星质量损失的处理。虽然作者更新的潮汐模型结合 AGB 阶段的观测代理（特别是 L2 Pup）表明地球很可能在太阳的巨星阶段幸存，但显著的不确定性仍然存在。作者强调，最终的命运取决于对 AGB 质量损失率更佳的观测约束，以及对演化恒星中潮汐耗散理论的进一步完善。他们强调了未来任务（如 PLATO）的潜力，这些任务将能够探测红巨星周围的行星，从而提供必要的群体统计数据，以更好地约束这些演化路径。