Seit Jahrzehnten gilt als ausgemacht, dass die sterbende Sonne die Erde eines fernen Tages verschlingt. Eine neue Modellrechnung stellt dieses Bild infrage, denn danach könnte die Erde beide Riesenphasen der Sonne überstehen und als kahler Gesteinsrest zurückbleiben. Entscheidend ist ein Kräftemessen zwischen zwei gegensätzlichen Effekten. Ein Trost ist das freilich nicht, denn bewohnbar wäre der Planet längst nicht mehr.
In etwa fünf Milliarden Jahren geht der Sonne im Kern der Brennstoff aus. Der Wasserstoff ist dann verbraucht, und der Stern beginnt eine dramatische Verwandlung. Zunächst bläht er sich zu einem Roten Riesen auf, der ein Vielfaches seines heutigen Durchmessers erreicht, später folgt eine noch unruhigere Phase, der Asymptotische Riesenast. Am Ende bleibt nur ein winziger, extrem dichter Überrest übrig, ein Weißer Zwerg. Für die inneren Planeten wird diese Verwandlung zur Zerreißprobe. Merkur und Venus gelten als verloren, sie verschwinden in der anschwellenden Sonne. Ob auch die Erde diesem Schicksal nicht entgeht, galt lange als offene, im Zweifel düster beantwortete Frage. Eine neue Arbeit rechnet nun anders.
Erstellt wurde die Untersuchung von Forschenden der Katholischen Universität Löwen in Belgien und des Forschungszentrums CEA Paris-Saclay in Frankreich. Das Team um den Astrophysiker Mats Esseldeurs modellierte, wie sich die Umlaufbahn der Erde entwickelt, während die Sonne altert. Der Clou liegt in aktualisierten Formeln für die sogenannten Gezeitenkräfte im Inneren eines aufgeblähten Sterns. Diese Beschreibungen haben sich in den vergangenen fünfzehn Jahren deutlich verbessert. Frühere Rechnungen kamen mit gröberen Annahmen zu einem eindeutig tödlichen Ergebnis für die Erde. Die neuen Modelle zeichnen ein anderes, überraschend offenes Bild und verschieben zugleich die entscheidende Unsicherheit an eine ganz andere Stelle. Veröffentlicht ist die Studie im Fachjournal Astronomy und Astrophysics.
Über das Schicksal der Erde entscheidet ein Tauziehen zwischen zwei Kräften. Auf der einen Seite ziehen Gezeitenwechselwirkungen den Planeten nach innen. Sie entstehen, weil die Schwerkraft des riesigen Sterns auf der zugewandten und der abgewandten Seite unterschiedlich stark wirkt, wodurch Bewegungsenergie abgebaut wird und die Bahn schrumpft. Auf der anderen Seite verliert die alternde Sonne durch starke Sternwinde enorm viel Masse. Mit ihrer Masse schwindet ihre Anziehungskraft, und die Erdbahn weitet sich nach außen. Wie die im Fachjournal Astronomy und Astrophysics erschienene Arbeit zeigt, hängt alles davon ab, welcher der beiden Effekte überwiegt. Dominieren die Gezeitenkräfte, wird die Erde verschluckt. Dominiert der Massenverlust, entkommt sie auf eine weitere Umlaufbahn.
Dass ein Stern seinen Planeten am Ende tatsächlich verschlingen kann, ist keine bloße Theorie. Astronomen haben ein solches Ereignis bereits direkt beobachtet, als ein Roter Riese einen Planeten verschlang. Genau dieses Schicksal galt bislang auch für die Erde als das wahrscheinlichste. Die neue Modellrechnung dreht diese Erwartung nun um, ohne sie vollständig auszuschließen.
Ausschlaggebend für die Kehrtwende sind die verbesserten Gezeitenmodelle. Sie zeigen, dass die Bewegungsenergie der Erde langsamer abgebaut wird als früher angenommen. Die innere Reibung im aufgeblähten Stern ist demnach geringer, der nach innen ziehende Sog also schwächer. Damit verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung Flucht. Nach den neuen Rechnungen übersteht die Erde sowohl die Rote-Riesen-Phase als auch den Asymptotischen Riesenast und zieht am Ende ihre Bahn um den Weißen Zwerg. Verwenden die Forschenden dagegen die älteren Beschreibungen der Gezeiten, endet die Erde verschluckt. Auch der Mars hat den Simulationen zufolge gute Überlebenschancen, während Merkur und Venus in jedem Fall verloren sind.
Die größte verbleibende Unsicherheit liegt inzwischen nicht mehr in den Gezeiten, sondern im Massenverlust der Sonne. Wie das Team der Universität Löwen erläutert, verlieren sonnenähnliche Riesensterne sehr unterschiedlich schnell an Masse. Als Anhaltspunkt diente den Forschenden der nahe Stern L2 Puppis, eine Art älterer Verwandter der Sonne. Ein hoher Massenverlust rettet die Erde, ein niedriger führt zum Verschlucken. Verlässliche Aussagen brauchen daher bessere Beobachtungen solcher Sterne.
So bemerkenswert der Befund ist, ein gutes Ende bedeutet er nicht. Lange bevor die Sonne sich überhaupt zum Roten Riesen aufbläht, wird die Erde unbewohnbar. Schon in etwa einer Milliarde Jahren nimmt die Leuchtkraft der Sonne so weit zu, dass die Temperaturen dramatisch steigen. Die Ozeane verdampfen, die Atmosphäre verändert sich grundlegend, und das Leben, wie wir es kennen, wäre längst erloschen. Selbst wenn die Erde den Tod der Sonne physisch übersteht, umkreist am Ende nur ein ausgeglühter, wasserloser Gesteinskörper den Weißen Zwerg. Der Wert der Studie liegt denn auch weniger im Trost als in der Physik dahinter. Sie zeigt, wie empfindlich das Schicksal eines Planeten von Details der Sternentwicklung abhängt.
Wie knapp die verbleibende lebensfreundliche Zeit bemessen ist, beschäftigt die Forschung ohnehin. Schätzungen dazu, wie lange die Erde noch ein lebensfreundlicher Planet bleibt, fallen deutlich kürzer aus als die Milliarden Jahre bis zum Sonnentod. Für den Planeten als Himmelskörper aber eröffnet die neue Rechnung eine unerwartet lange Zukunft.
Über die Erde hinaus ist der Fall ein Musterbeispiel für ein allgemeines Problem der Astronomie. Überall in der Galaxie stoßen alternde Sterne Masse ab, blähen sich auf und verschieben die Bahnen ihrer Planeten. Dieselbe Physik, die über das Schicksal der Erde entscheidet, hilft Fachleuten, Planeten zu verstehen, die heute um Weiße Zwerge kreisen. Tatsächlich haben Astronomen bereits erdähnliche Welten entdeckt, die die Riesenphase ihres Sterns offenbar überstanden haben. Solche Systeme sind seltene Fenster in die ferne Zukunft unseres eigenen Sonnensystems. Die aktuelle Studie bleibt dabei ein Modell, dessen Ergebnis an Annahmen über die späten Sternwinde hängt. Bessere Beobachtungen könnten aus der vorsichtigen Prognose eine belastbare Vorhersage machen.
Astronomy und Astrophysics, The fate of Earth during the Sun's giant phases: New constraints from ab initio tidal modelling and AGB mass loss; doi:10.1051/0004-6361/202660576