Fases de la vida
El Sol de hoy está aproximadamente a la mitad de la parte más estable de su vida. No ha cambiado drásticamente durante más de cuatro mil millones [a] años, y se mantendrá bastante estable durante más de cinco mil millones más. Sin embargo, después de que la fusión de hidrógeno en su núcleo se haya detenido, el Sol sufrirá cambios dramáticos, tanto interna como externamente.
Formación
El Sol se formó hace unos 4.600 millones de años a partir del colapso de parte de una nube molecular gigante que consistía principalmente en hidrógeno y helio y que probablemente dio origen a muchas otras estrellas. [115] Esta edad se estima utilizando modelos informáticos de evolución estelar y mediante nucleocosmocronología . [11] El resultado es consistente con la fecha radiométrica del material más antiguo del Sistema Solar, hace 4.567 millones de años. [116] [117] Los estudios de meteoritos antiguos revelan rastros de núcleos hijos estables de isótopos de corta duración, como el hierro 60, que se forman solo en estrellas explosivas de corta duración. Esto indica que una o más supernovas deben haber ocurrido cerca del lugar donde se formó el Sol. Una onda de choque de una supernova cercana habría desencadenado la formación del Sol al comprimir la materia dentro de la nube molecular y causar que ciertas regiones colapsen bajo su propia gravedad. [118] Cuando un fragmento de la nube se derrumbó, también comenzó a girar debido a la conservación del momento angulary calentar con la presión creciente. Gran parte de la masa se concentró en el centro, mientras que el resto se aplanó en un disco que se convertiría en los planetas y otros cuerpos del Sistema Solar. La gravedad y la presión dentro del núcleo de la nube generaron mucho calor al acumular más materia del disco circundante, lo que eventualmente desencadenó la fusión nuclear .
HD 162826 y HD 186302 son hipótesis de hermanos estelares del Sol, que se han formado en la misma nube molecular.
Secuencia principal
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El Sol está aproximadamente a la mitad de su etapa de secuencia principal , durante la cual las reacciones de fusión nuclear en su núcleo fusionan hidrógeno en helio. Cada segundo, más de cuatro millones de toneladas de materia se convierten en energía dentro del núcleo del Sol, produciendo neutrinos y radiación solar . A este ritmo, el Sol hasta ahora ha convertido alrededor de 100 veces la masa de la Tierra en energía, aproximadamente el 0.03% de la masa total del Sol. El Sol pasará un total de aproximadamente 10 mil millones de años como estrella de secuencia principal. [120] El Sol se calienta gradualmente durante su tiempo en la secuencia principal, porque los átomos de helio en el núcleo ocupan menos volumen que los átomos de hidrógeno.Que estaban fusionados. Por lo tanto, el núcleo se está reduciendo, lo que permite que las capas externas del Sol se muevan más cerca del centro y experimenten una fuerza gravitacional más fuerte, de acuerdo con la ley del cuadrado inverso . Esta fuerza más fuerte aumenta la presión sobre el núcleo, que es resistida por un aumento gradual en la velocidad a la que ocurre la fusión. Este proceso se acelera a medida que el núcleo gradualmente se vuelve más denso. Se estima que el Sol se ha vuelto un 30% más brillante en los últimos 4.500 millones de años. [121] En la actualidad, está aumentando su brillo en aproximadamente un 1% cada 100 millones de años. [122]
Después del agotamiento del núcleo de hidrógeno
El Sol no tiene suficiente masa para explotar como una supernova . En cambio, saldrá de la secuencia principal en aproximadamente 5 mil millones de años y comenzará a convertirse en un gigante rojo . [123] [124] Como gigante rojo, el Sol crecerá tanto que engullirá a Mercurio, Venus y probablemente la Tierra. [124] [125]
Incluso antes de convertirse en un gigante rojo, la luminosidad del Sol casi se habrá duplicado, y la Tierra recibirá tanta luz solar como la que Venus recibe hoy. Una vez que el núcleo de hidrógeno se haya agotado en 5.400 millones de años, el Sol se expandirá en una fase subgigante y se duplicará lentamente en tamaño durante aproximadamente 500 millones de años. Luego se expandirá más rápidamente durante aproximadamente medio billón de años hasta que sea más de doscientas veces más grande que hoy y un par de miles de veces más luminosa. Esto entonces comienza la fase de la rama gigante roja donde el Sol pasará alrededor de mil millones de años y perderá alrededor de un tercio de su masa. [124]
Después de la rama gigante roja, al Sol le quedan aproximadamente 120 millones de años de vida activa, pero sucede mucho. Primero, el núcleo, lleno de helio degenerado, se enciende violentamente en el destello de helio , donde se estima que el 6% del núcleo, el 40% de la masa del Sol, se convertirá en carbono en cuestión de minutos a través de la triple alfa. proceso . [126] El Sol luego se contrae a alrededor de 10 veces su tamaño actual y 50 veces la luminosidad, con una temperatura un poco más baja que la actual. Entonces habrá alcanzado el grupo rojo o la rama horizontal, pero una estrella de la masa del Sol no evoluciona hacia el azul a lo largo de la rama horizontal. En cambio, se vuelve moderadamente más grande y más luminosa durante aproximadamente 100 millones de años a medida que continúa reaccionando con helio en el núcleo. [124]
Cuando el helio se agota, el Sol repetirá la expansión que siguió cuando se agotó el hidrógeno en el núcleo, excepto que esta vez todo sucede más rápido y el Sol se vuelve más grande y más luminoso. Esta es la fase de la rama gigante asintótica , y el Sol reacciona alternativamente hidrógeno en una capa o helio en una capa más profunda. Después de unos 20 millones de años en la rama gigante asintótica temprana, el Sol se vuelve cada vez más inestable, con una rápida pérdida de masa y pulsos térmicos que aumentan el tamaño y la luminosidad durante unos cientos de años cada 100.000 años más o menos. Los pulsos térmicos se hacen más grandes cada vez, y los pulsos posteriores aumentan la luminosidad hasta 5.000 veces el nivel actual y el radio a más de 1 UA. [127]Según un modelo de 2008, la órbita de la Tierra se está reduciendo debido a las fuerzas de marea (y, finalmente, arrastrar desde la cromosfera inferior ), por lo que será absorbida por el Sol cerca de la punta de la fase de la rama gigante roja, 3.8 y 1 millón de años. después de que Mercurio y Venus hayan sufrido respectivamente el mismo destino. Los modelos varían según la tasa y el momento de la pérdida de masa. Los modelos que tienen una mayor pérdida de masa en la rama gigante roja producen estrellas más pequeñas y menos luminosas en la punta de la rama gigante asintótica, quizás solo 2.000 veces la luminosidad y menos de 200 veces el radio. [124] Para el Sol, se predicen cuatro pulsos térmicos antes de que pierda completamente su envoltura exterior y comience a formar una nebulosa planetaria. Al final de esa fase, que dura aproximadamente 500,000 años, el Sol solo tendrá aproximadamente la mitad de su masa actual.
La evolución de la rama gigante post-asintótica es aún más rápida. La luminosidad se mantiene aproximadamente constante a medida que aumenta la temperatura, y la mitad expulsada de la masa del Sol se ioniza en una nebulosa planetaria a medida que el núcleo expuesto alcanza los 30,000 K. El núcleo desnudo final, una enana blanca , tendrá una temperatura de más de 100,000 K, y contienen un estimado de 54.05% de la masa actual del Sol. [124] La nebulosa planetaria se dispersará en unos 10.000 años, pero la enana blanca sobrevivirá durante billones de años antes de desvanecerse en una hipotética enana negra . [128] [129]
Órbita y ubicación
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El Sol se encuentra cerca del borde interior de la Vía Láctea 's Brazo de Orión , en la Nube Interestelar Local o el Cinturón de Gould , a una distancia de 7,5-8,5 kpc (25,000-28,000 años luz) desde el centro galáctico . [130] [131] [132] [133] [134] [135] El Sol está contenido dentro de la Burbuja Local , un espacio de gas caliente enrarecido, posiblemente producido por el remanente de supernova Geminga , [136] o múltiples supernovas en el subgrupo B1 del grupo móvil Pleiades. [137] La distancia entre el brazo local y el siguiente brazo, elPerseus Arm , tiene unos 6.500 años luz. [138] El Sol, y por lo tanto el Sistema Solar, se encuentra en lo que los científicos llaman la zona habitable galáctica . El Apex of the Sun's Way , o el ápice solar , es la dirección en que viaja el Sol en relación con otras estrellas cercanas. Este movimiento es hacia un punto en la constelación de Hércules , cerca de la estrella Vega .
Dentro de 32,6 ly del Sol hay 315 estrellas conocidas en 227 sistemas, a partir de 2000, incluidas 163 estrellas individuales. Se estima que aún no se han identificado otros 130 sistemas dentro de este rango. Hasta 81.5 ly, puede haber hasta 7.500 estrellas, de las cuales se conocen alrededor de 2.600. Se espera que la cantidad de objetos subestelares en ese volumen sea comparable a la cantidad de estrellas. [139] De los 50 sistemas estelares más cercanos dentro de los 17 años luz de la Tierra (el más cercano es la enana roja Proxima Centauri a aproximadamente 4.2 años luz), el Sol ocupa el cuarto lugar en masa. [140]
Órbita en la Vía Láctea
El Sol orbita alrededor del centro de la Vía Láctea, y actualmente se mueve en la dirección de la constelación de Cygnus . Un modelo simple del movimiento de una estrella en la galaxia da las coordenadas galácticas X , Y y Z como:
donde U , V y W son las velocidades respectivas con respecto al estándar local de descanso , A y B son las constantes de Oort , es la velocidad angular de rotación galáctica para el estándar local de descanso, es la "frecuencia epicíclica" y ν es la frecuencia de oscilación vertical. [141] Para el sol, los valores actuales de U , V y W se estiman comokm / s, y las estimaciones para las otras constantes son A = 15.5 km / s / kpc , B = −12.2 km / s / kpc, κ = 37 km / s / kpc y ν = 74 km / s / kpc. Tomamos X (0) e Y (0) como cero y Z (0) se estima en 17 parsecs. [142] Este modelo implica que el Sol circula alrededor de un punto que va alrededor de la galaxia. El período de circulación del Sol alrededor del punto es. que, usando la equivalencia de que un parsec es igual a 1 km / s por 0.978 millones de años, llega a 166 millones de años, más corto que el tiempo que tarda el punto en recorrer la galaxia. En las coordenadas ( X, Y ), el Sol describe una elipse alrededor del punto, cuya longitud en la dirección Y es
y cuyo ancho en la dirección X es
La relación de longitud a ancho de esta elipse, la misma para todas las estrellas en nuestro vecindario, es El punto de movimiento está actualmente en
La oscilación en la dirección Z lleva al Sol
sobre el plano galáctico y la misma distancia debajo de él, con un período de o 83 millones de años, aproximadamente 2.7 veces por órbita. [143] Aunque es 222 millones de años, el valor de en el punto alrededor del cual circula el Sol es
(ver constantes de Oort ), correspondientes a 235 millones de años, y este es el tiempo que tarda el punto en dar una vuelta alrededor de la galaxia. Otras estrellas con el mismo valor de han tomado la misma cantidad de tiempo para recorrer la galaxia que el sol y, por lo tanto, permanecer en la misma vecindad general que el Sol.
La órbita del Sol alrededor de la Vía Láctea está perturbada debido a la distribución de masa no uniforme en la Vía Láctea, como la que se encuentra en los brazos espirales galácticos y entre ellos. Se ha argumentado que el paso del Sol a través de los brazos espirales de mayor densidad a menudo coincide con extinciones masivas en la Tierra, tal vez debido al aumento de los eventos de impacto . [144] Al Sistema Solar le toma entre 225 y 250 millones de años completar una órbita a través de la Vía Láctea (un año galáctico ), [145] por lo que se cree que completó 20-25 órbitas durante la vida del Sol. La velocidad orbital del Sistema Solar sobre el centro de la Vía Láctea es de aproximadamente 251 km / s (156 mi / s). [146]A esta velocidad, el Sistema Solar tarda alrededor de 1.190 años en recorrer una distancia de 1 año luz, o 7 días en recorrer 1 UA . [147]
La Vía Láctea se mueve con respecto a la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB) en la dirección de la constelación Hydra con una velocidad de 550 km / s, y la velocidad resultante del Sol con respecto al CMB es de aproximadamente 370 km / s en el dirección del cráter o leo .
Problemas teóricos
Problema de calentamiento coronal
La temperatura de la fotosfera es de aproximadamente 6,000 K, mientras que la temperatura de la corona alcanza 1,000,000–2,000,000 K. [88] La alta temperatura de la corona muestra que es calentada por algo más que la conducción directa del calor desde la fotosfera. [90]
Se cree que la energía necesaria para calentar la corona proviene del movimiento turbulento en la zona de convección debajo de la fotosfera, y se han propuesto dos mecanismos principales para explicar el calentamiento coronal. [88] El primero es el calentamiento de las olas , en el cual las ondas de sonido, gravitacionales o magnetohidrodinámicas son producidas por la turbulencia en la zona de convección. [88] Estas ondas viajan hacia arriba y se disipan en la corona, depositando su energía en la materia ambiente en forma de calor. [149] El otro es el calentamiento magnético , en el que la energía magnética se acumula continuamente por el movimiento fotosférico y se libera a través de la reconexión magnética en forma de grandes llamaradas solaresy una miríada de eventos similares pero más pequeños: nanoflares . [150]
Actualmente, no está claro si las olas son un mecanismo de calentamiento eficiente. Se ha encontrado que todas las ondas, excepto las de Alfvén, se disipan o refractan antes de llegar a la corona. [151] Además, las ondas de Alfvén no se disipan fácilmente en la corona. El enfoque actual de la investigación, por lo tanto, se ha desplazado hacia mecanismos de calentamiento de llamarada. [88]
Problema débil del sol joven
Los modelos teóricos del desarrollo del Sol sugieren que hace 3,8 a 2,5 mil millones de años, durante el eón de Archean , el Sol era solo un 75% tan brillante como lo es hoy. Una estrella tan débil no habría sido capaz de sostener agua líquida en la superficie de la Tierra y, por lo tanto, la vida no debería haberse podido desarrollar. Sin embargo, el registro geológico demuestra que la Tierra se ha mantenido a una temperatura bastante constante a lo largo de su historia, y que la Tierra joven fue algo más cálida de lo que es hoy. Una teoría entre los científicos es que la atmósfera de la joven Tierra contenía cantidades mucho más grandes de gases de efecto invernadero (como dióxido de carbono , metano ) que las que están presentes hoy, que atraparon suficiente calor para compensar la menor cantidad deenergía solar llegando a ella. [152]
Sin embargo, el examen de los sedimentos de Archaean parece inconsistente con la hipótesis de altas concentraciones de invernadero. En cambio, el rango de temperatura moderado puede explicarse por un albedo de superficie inferior provocado por menos área continental y la "falta de núcleos de condensación de nubes inducidos biológicamente". Esto habría llevado a una mayor absorción de energía solar, compensando así la menor producción solar.
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