Điều gì xảy ra khi Mặt Trời tàn lụi và nuốt chửng Trái Đất?

Trước khi Mặt Trời nở to hết cỡ và biến thành sao đỏ khổng lồ nuốt chửng Trái Đất, hậu duệ của loài người có thể đã di cư tới những hành tinh khác như sao Hải Vương.

Theo Live Science, một ngôi sao bắt đầu hình thành với sự tích tụ các loại khí, chủ yếu là hydro cùng heli và một số nguyên tố khác. Các phân tử khí có khối lượng, nên nếu có nhiều khí tích tụ lại với nhau, chúng sẽ sụp đổ dưới chính lực hấp dẫn của chúng.

Quá trình này tạo nên áp lực hướng vào trong của một ngôi sao nguyên thủy (protostar), đốt nóng khí tới mức các nguyên tử khí chỉ còn tồn tại dưới dạng plasma. Sau đó, cứ hai hạt nhân hydro sẽ kết hợp với nhau trong phản ứng nhiệt hạch, tạo thành một nguyên tử heli, giải phóng ra năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng, đồng thời tạo ra một áp lực hướng ra phía ngoài, ngăn cản quá trình sụp đổ tiếp diễn.

Hình ảnh Mặt Trời chụp hôm 13/4, sau 4,5 tỷ năm cháy sáng liên tục. Tính đến nay Mặt Trời mới đi hết khoảng nửa vòng đời của nó. (Ảnh: NASA).

Phản ứng nhiệt hạch tạo ra heli này sẽ kéo dài trong hàng tỷ năm. Tới thời điểm gần hết nhiêu liệu hydro trong lõi ngôi sao, nó không còn phát ra nhiều năng lượng nữa, và bắt đầu sụp đổ dưới trọng lượng của chính nó. Tuy nhiên quá trình sụp đổ lúc này không còn đủ áp lực để kết hợp các hạt nhân heli như hydro lúc trước. Ngôi sao vẫn sẽ tỏa sáng là nhờ số ít hydro trên bề mặt lõi vẫn tiếp tục phản ứng sinh ra năng lượng.

Lõi heli của ngôi sao trong quá trình sụp đổ không đủ năng lượng để gây ra phản ứng kết hợp hạt nhân như trước, nhưng do đây là quá trình nén khí nên nhiệt độ tiếp tục tăng. Ngôi sao lúc này thậm chí còn giải phóng nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt và ánh sáng hơn. Tuy nhiên, năng lượng cũng làm ngôi sao nở to ra, trở thành sao khổng lồ đỏ. Màu đỏ có nghĩa là nhiệt độ bề mặt của nó thấp hơn giai đoạn phản ứng hạt nhân lúc trước. Mặt Trời hiện nay đang phát ra ánh sáng trắng, nhiệt độ cao hơn rất nhiều so với ánh sáng đỏ.

Một nghiên cứu vào năm 2008 của hai nhà thiên văn Klaus-Peter Schröder và Robert Connon Smith ước tính khi trở thành sao lửa đỏ khổng lồ, bề mặt Mặt Trời sẽ mở rộng ra khoảng 170 triệu km, nuốt chửng sao Thủy, sao Kim và Trái Đất. Quá trình trở thành sao khổng lồ của Mặt Trời sẽ kéo dài khoảng 5 triệu năm.

Tuy nhiên, Mặt Trời đang sáng thêm khoảng 10% mỗi một tỷ năm. Do đó vùng có thể tồn tại sự sống quanh Mặt Trời, tức là khoảng cách thích hợp cho các hành tinh tồn tại nước lỏng trên bề mặt cũng sẽ được mở rộng.

Vùng này hiện nằm ở khoảng cách giữa 0,95 và 1,37 lần bán kính quỹ đạo Trái Đất (hay còn gọi là đơn vị thiên văn AU). Khi Mặt Trời trở thành sao đỏ khổng lồ, sao Hỏa sẽ ở trong vùng có sự sống tại một thời điểm nhất định. Trái Đất lúc này sẽ nằm ngoài vùng có sự sống và sẽ bị "nướng", các đại dương bốc hơi, nước phân hủy hết thành oxy và hydro.

Hydro nhẹ nên sẽ thoát ra ngoài không gian, còn oxy sẽ phản ứng với đá trên bề mặt Trái Đất. Nitơ và CO₂ sẽ là các thành phần chủ yếu trong khí quyển, giống như sao Kim hiện nay. Hậu duệ của con người khi đó sẽ phải di cư lên sao Hỏa hoặc tìm sự sống bên ngoài Thái Dương hệ.

Mặt Trời sẽ phình to thành một sao đỏ khổng lồ, nuốt trọn các hành tinh gần nó, bao gồm Trái Đất. (Ảnh: Paul G.Beck).

Tuy nhiên, sao Hỏa cũng chỉ nằm trong vùng có sự sống một thời gian. Tới khi Mặt Trời trở thành sao khổng lồ, vùng có sự sống sẽ nằm trong khoảng 49–70 đơn vị thiên văn AU. Sao Hải Vương với quỹ đạo hiện nay có thể sẽ trở nên quá nóng, không thể sống được. Nơi thích hợp có thể là Pluto hoặc các hành tinh lùn, sao chổi và các tiểu hành tinh nhiều băng trong vành đai Kuiper.

Một hiệu ứng được Schröder và Smith lưu ý là các ngôi sao như Mặt Trời mất dần khối lượng theo thời gian, chủ yếu thông qua phát tán gió Mặt Trời. Do đó, quỹ đạo các hành tinh sẽ dần dần mở rộng. Quỹ đạo Trái Đất sẽ mở rộng không đủ nhanh để tránh khỏi diệt vong nhưng sao Hải Vương có thể sẽ trở thành ngôi nhà mới cho loài người.

Sau khi trở thành sao khổng lồ, Mặt Trời sẽ phải trải qua quá trình sụp đổ lần hai và lại gây ra phản ứng tổng hợp hạt nhân. Trong khoảng hai tỷ năm, Mặt Trời sẽ tổng hợp carbon và oxy từ heli, nhưng quá trình tổng hợp này không giải phóng nhiều năng lượng như trước. Tới khi hết heli, không còn gì có thể ngăn cản quá trình co lại của Mặt Trời nữa. Lõi của nó sẽ thu lại thành một sao lùn trắng. Liên kết giữa phần lõi và phần vỏ ngoài sẽ rất yếu, phần vỏ sẽ trở thành đám mây hành tinh.

Do sao lùn trắng được nung nóng nhờ quá trình nén khí hơn là phản ứng nhiệt hạch, nhiệt độ của nó sẽ rất cao, với nhiệt độ bề mặt có thể đạt tới 28.000 độ C và nó sẽ thắp sáng vùng khí tinh vân.

Tuy nhiên, thời gian cho tới khi Mặt Trời trở thành sao khổng lồ đỏ còn rất dài, ít nhất là 7 đến 8 tỷ năm nữa. Con người mới chỉ sống trong 40 phần nghìn của tổng quãng thời gian đó. Nếu tính tuổi của Trái Đất là 24 giờ thì con người mới chỉ hiện diện trong tối đa là một giây.