¿Cuánta vida más podría adquirir el Sol a través del levantamiento de estrellas?

TL; DR: la vida útil de la secuencia principal del sol se puede aumentar en un factor de 12.2.

Quizás el análisis astrofísico más completo de la ingeniería estelar para ampliar la habitabilidad de la Tierra sea el libro de Martin Beech Rejuvenating the Sun and Avoiding Other Global Catastrophes (2008).

Para mantener la biosfera es necesario mezclar el interior del sol (para evitar la fase de gigante roja) y eliminar material (para evitar una luminosidad demasiado grande).

Eliminación de material

Quitar material es complicado porque la energía potencial en la superficie del Sol es$U_\odot = GM_\odot/R_\odot=$1,9e11 J/kg. Si bien solo 2e-6 de la masa-energía incorporada en la materia y el 0,3% de la energía de fusión potencial, sigue siendo engorroso. Si se usara una esfera Dyson con una eficiencia perfecta, la tasa máxima de extracción de masa sería

$$\begin{equation} \dot{m}=\frac{L_\odot}{U_\odot} = \frac{L_\odot R_\odot}{GM_\odot} \approx 2.0061\cdot 10^{15} \text{kg/s}, \end{equation}$$ una masa típica para un asteroide menor por segundo. La escala de tiempo para desarmar el sol usando solo la luminosidad solar es $$\begin{equation}\tau_{disassemble}=\frac{3GM_\odot^2}{5R_\odot L_\odot} = 18.852\text{Myr}.\end{equation}$$ Mucho antes de este tiempo, los cambios en la presión reducirían la luminosidad, lo que haría que esta estimación se subestimara en aproximadamente un orden de magnitud. Recibo 556,93 Myr, un poco más que los 300 Myr de Criswell.

Otro modelo idealizado es que el proceso de levantamiento fusiona hidrógeno (usando el$p-p$proceso) para impulsar más elevación. En este caso cada kilogramo de masa levantada produce$6.45\cdot 10^{14}$J, que permite levantar 3380 kg más de combustible. Por supuesto, esto podría acelerarse arbitrariamente si hubiera tecnología para ello.

Estoy dejando de lado cómo hacerlo. Además de las propuestas clásicas de Criswell (acelerar la rotación, succionar plasma usando campos magnéticos, etc.), Beech sugiere que una corriente de ramscoops o una envoltura estelar podrían hacerlo. Esto no es realmente clave para la pregunta.

Disminución de la luminosidad

La luminosidad también se puede disminuir aumentando la presión del núcleo no térmico, quizás a través de fuertes campos magnéticos o una rápida rotación interna. Esto extendería la vida útil de la secuencia principal como

$$\begin{equation}\tau_{NTPS}\sim \tau_{MS} \left(1-\frac{p_{NT}}{p_T}\right )^{-7.5}.\end{equation}$$ Un aumento del 10% sobre la presión actual duplicaría la vida útil de la secuencia principal del sol y reduciría aproximadamente a la mitad la luminosidad en el agotamiento del hidrógeno. Lograr esto no es trivial dada la estructura solar actual (los campos magnéticos se generan en la envoltura exterior convectiva), pero Beech señala que si la masa se redujera por debajo de aproximadamente la mitad de la masa actual, el sol modificado sería completamente convectivo y los campos magnéticos también producirían un más alto$p_{NT}$en el núcleo

Otra forma de reducir la luminosidad es aumentando la opacidad estelar.$\kappa$. Para reducir la luminosidad en un factor de 100 (y la temperatura de la superficie en un factor de 10), la opacidad debe aumentarse en un factor de 100. Sin embargo, Beech señala que simplemente agregar elementos pesados ​​no ayudará, ya que aumentan la masa. y por lo tanto la luminosidad. Si bien uno puede imaginar una "diálisis" en la que se extrae el helio y se reemplaza por$Z$elementos esto parece complejo, y no hay fuentes locales fácilmente disponibles de suficiente alto$Z$materia en el sistema solar.

mezclando

La ingeniería de mezcla mejorada antes de que se elimine la masa no es trivial. Los impactadores y los láseres simplemente no penetran lo suficientemente profundo como para importar. Beech sugiere emplear un agujero negro de masa subestelar que oscila a través del sol para mezclarlo. Si el agujero es pequeño, el tiempo hasta la absorción es largo.

Resultado

Con la pérdida de masa y la mezcla completa, Beech encuentra que la vida útil de la secuencia principal aumentó hasta un factor de 12,2, con factores razonables entre 4 y 6.

El escenario de Beech tiene el problema de que el sol en su última etapa, si bien tiene una luminosidad aceptable en la órbita de la Tierra, será mucho más caliente y liberará una cantidad significativa de radiación UV. El resultado final es en muchos aspectos similar a una estrella azul rezagada.