Formación y evolución del Sistema Solar

La hipótesis nebular afirma que el Sistema Solar se formó a partir del colapso gravitacional de un fragmento de una nube molecular gigante , muy probablemente en el borde de una burbuja de Wolf-Rayet . ^{[ 10 ]} Sin embargo, no fue un colapso directo, ya que la presión interna de la nube la mantiene en pie. En cambio, los colapsos debieron ser desencadenados por fuerzas internas o externas, como los flujos bipolares de estrellas jóvenes o las explosiones de supernovas . ^{[ 11 ]} La nube tenía unos 20 pársecs (pc), o aproximadamente 65 años luz (al), de diámetro, ^{[ 11 ]} mientras que los fragmentos de esta nube tenían aproximadamente 1 pc (~3,26 al) de diámetro. ^{[ 12 ]} El posterior colapso de los fragmentos condujo a la formación de núcleos densos de 0,01–0,1 pársecs (2000–20 000 UA ) de tamaño. ^{[ a ] ​​[ 11 ] [ 13 ]} Uno de estos fragmentos colapsantes (conocido como la nebulosa presolar ) formó lo que se convertiría en el Sistema Solar. ^{[ 14 ]} La composición de esta región con una masa ligeramente superior a la del Sol ( M _☉ ) era aproximadamente la misma que la del Sol actual, con hidrógeno , junto con helio y cantidades traza de litio producidos por la nucleosíntesis del Big Bang , formando aproximadamente el 98% de su masa. El 2% restante de la masa consistía en elementos más pesados ​​que fueron creados por nucleosíntesis en generaciones anteriores de estrellas. ^{[ 15 ]} Al final de la vida de estas estrellas, expulsaron elementos más pesados ​​al medio interestelar . ^{[ 16 ]} Algunos científicos han dado el nombre de Coatlicue a una estrella hipotética que se convirtió en supernova y creó la nebulosa presolar.      

Según las estadísticas , lo más probable es que el Sol naciera junto a muchas otras estrellas en un cúmulo estelar que consta de entre unas pocas decenas y unos pocos miles de estrellas. Existen dos tipos de cúmulos en los que el Sol podría haber nacido: un cúmulo rico o un cúmulo pobre. Los cúmulos ricos, similares a la Nebulosa de Orión, contienen muchas estrellas calientes y masivas que habrían producido rayos UV y rayos X. Los cúmulos pobres están inmersos en nubes moleculares y no contienen estrellas masivas cercanas. Si el Sol hubiera nacido en un cúmulo rico, su disco se habría reducido a tan solo ~50 UA, a menos que estuviera ubicado en las afueras del cúmulo. Sin embargo, el Sistema Solar contiene objetos distantes como el planeta enano Sedna, lo que hace que este escenario sea improbable. ^{[ 11 ]}

Las inclusiones más antiguas encontradas en meteoritos , que se cree que trazan el primer material sólido que se formó en la nebulosa presolar, tienen 4568,2  millones de años, que es una definición de la edad del Sistema Solar. ^{[ 1 ]} Los estudios de meteoritos antiguos revelan rastros de núcleos hijos estables de isótopos de vida corta, como el hierro-60 , que solo se forman en estrellas de vida corta que explotan. Esto indica que una o más supernovas ocurrieron cerca. Una onda de choque de una supernova puede haber desencadenado la formación del Sol al crear regiones relativamente densas dentro de la nube, causando el colapso de estas regiones. ^{[ 17 ] [ 18 ]} La distribución altamente homogénea del hierro-60 en el Sistema Solar apunta a que la ocurrencia de esta supernova y su inyección de hierro-60 fue mucho antes de la acreción de polvo nebular en cuerpos planetarios. ^{[ 19 ]} Debido a que solo las estrellas masivas y de corta duración producen supernovas, el Sol debe haberse formado en una gran región de formación estelar que produjo estrellas masivas, posiblemente similar a la Nebulosa de Orión . ^{[ 20 ] [ 21 ]} Los estudios de la estructura del cinturón de Kuiper y de los materiales anómalos dentro de él sugieren que el Sol se formó dentro de un cúmulo de entre 1.000 y 10.000  estrellas con un diámetro de entre 6,5 y 19,5  años luz y una masa colectiva de 3.000 M _☉ . Este cúmulo comenzó a fragmentarse entre 135 millones y 535 millones de años después de su formación. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Varias simulaciones de nuestro joven Sol interactuando con estrellas que pasaban cerca durante los primeros 100 millones de años de su vida produjeron órbitas anómalas observadas en el Sistema Solar exterior, como objetos separados . ^{[ 24 ]} Un estudio reciente sugiere que una estrella que pasa por allí no solo es responsable de las órbitas de los objetos separados, sino también de la población caliente y fría del cinturón de Kuiper , los objetos tipo Sedna , los TNO extremos y los TNO retrógrados . ^{[ 25 ]} 

Debido a la conservación del momento angular , la nebulosa giró más rápido al colapsar. A medida que el material dentro de la nebulosa se condensaba, la temperatura aumentaba . El centro, donde se acumuló la mayor parte de la masa, se volvió cada vez más caliente que el disco circundante. ^{[ 12 ]} Durante unos 100 000 años, ^{[ 11 ]} las fuerzas competitivas de gravedad , presión de gas, campos magnéticos y rotación hicieron que la nebulosa en contracción se aplanara en un disco protoplanetario giratorio con un diámetro de aproximadamente 200  UA ^{[ 12 ]} y formara una protoestrella caliente y densa (una estrella en la que la fusión de hidrógeno aún no ha comenzado) en el centro. ^{[ 26 ]} Dado que aproximadamente la mitad de todas las estrellas conocidas forman sistemas de estrellas múltiples , y debido a que Júpiter está hecho de los mismos elementos que el Sol (hidrógeno y helio), se ha sugerido que el Sistema Solar podría haber sido en sus inicios un sistema de protoestrellas con Júpiter como la segunda protoestrella fallida, pero Júpiter tiene muy poca masa para desencadenar la fusión en su núcleo y por lo tanto se convirtió en un gigante gaseoso ; De hecho, es más joven que el Sol y el planeta más antiguo del Sistema Solar. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

En este punto de la evolución del Sol , se cree que el Sol fue una estrella T Tauri . ^{[ 29 ]} Los estudios de las estrellas T Tauri muestran que a menudo están acompañadas por discos de materia preplanetaria con masas de 0,001–0,1 M _☉ . ^{[ 30 ]} Estos discos se extienden hasta varios cientos de UA —el Telescopio Espacial Hubble ha observado discos protoplanetarios de hasta 1000 UA de diámetro en regiones de formación estelar como la Nebulosa de Orión ^{[ 31 ]} —y son bastante fríos, alcanzando una temperatura superficial de solo unos 1000 K (730 °C; 1340 °F) en su punto más caliente. ^{[ 32 ]} En 50 millones de años, la temperatura y la presión en el núcleo del Sol se volvieron tan grandes que su hidrógeno comenzó a fusionarse, creando una fuente interna de energía que contrarrestó la contracción gravitacional hasta que se alcanzó el equilibrio hidrostático . ^{[ 33 ]} Esto marcó la entrada del Sol en la fase principal de su vida, conocida como secuencia principal . Las estrellas de la secuencia principal obtienen energía de la fusión de hidrógeno en helio en sus núcleos. El Sol sigue siendo una estrella de la secuencia principal en la actualidad. ^{[ 34 ]}       

A medida que el Sistema Solar primitivo continuaba evolucionando, finalmente se alejó de sus hermanos en la región de formación estelar y siguió orbitando el centro de la Vía Láctea por su cuenta. Es probable que el Sol se desviara de su órbita original respecto al centro de la galaxia. La historia química del Sol sugiere que pudo haberse formado hasta 3  kpc más cerca del núcleo galáctico. ^{[ 35 ]}

Como la mayoría de las estrellas, el Sol probablemente se formó no de forma aislada, sino como parte de un cúmulo estelar joven . ^{[ 36 ]} Hay varios indicios que sugieren que el entorno del cúmulo tuvo cierta influencia sobre el joven Sistema Solar, aún en formación. Por ejemplo, la disminución de la masa más allá de Neptuno y la órbita extremadamente excéntrica de Sedna se han interpretado como una señal de que el Sistema Solar fue influenciado por su entorno de nacimiento. Si la presencia de los isótopos hierro-60 y aluminio-26 puede interpretarse como un signo de un cúmulo de nacimiento que contiene estrellas masivas, aún está en debate. Si el Sol fue parte de un cúmulo estelar, podría haber sido influenciado por sobrevuelos cercanos de otras estrellas, la fuerte radiación de estrellas masivas cercanas y eyecciones de supernovas que ocurrieron cerca.

El tipo de cúmulo en el que pudo haber estado el Sol también es importante, y podría haber nacido en uno de dos extremos: un cúmulo estelar rico y un cúmulo estelar pobre. En un cúmulo estelar rico, similar a los que se ven en la Nebulosa de Orión , el entorno está lleno de estrellas calientes y masivas que producen mucha radiación UV y de rayos X. El efecto de esta radiación es la truncación de los discos alrededor de estrellas más pequeñas como el Sol. Si se nos dijera que el Sol existió en uno de estos cúmulos, su disco se habría truncado a solo ~50 UA. La única forma de evitar los efectos de la truncación sería si el Sol estuviera ubicado en las afueras del cúmulo. En un cúmulo estelar pobre, similar a los que se ven en el cúmulo de Ofiuco , el Sol está incrustado profundamente en la nube molecular, donde no hay estrellas masivas. Aquí, los discos pueden mantener sus grandes tamaños. La evidencia de que el Sol no nació en un cúmulo rico es la existencia de planetas enanos ubicados a grandes distancias, como Sedna . ^{[ 11 ]}

Se cree que los distintos planetas se formaron a partir de la nebulosa solar, la nube de gas y polvo en forma de disco que quedó tras la formación del Sol. ^{[ 37 ]} El método actualmente aceptado para la formación de los planetas es la acreción , en la que los planetas comenzaron como granos de polvo en órbita alrededor de la protoestrella central. Mediante contacto directo y autoorganización , estos granos se agruparon en cúmulos de hasta 200 m (660 pies) de diámetro, que a su vez colisionaron para formar cuerpos más grandes ( planetesimales ) de aproximadamente 10 km (6,2 millas) de tamaño. Estos aumentaron gradualmente mediante nuevas colisiones, creciendo a razón de centímetros por año durante los siguientes millones de años. ^{[ 38 ]}    

El sistema solar interior , la región del sistema solar dentro de 4  UA, era demasiado cálido para que moléculas volátiles como el agua y el metano se condensaran, por lo que los planetesimales que se formaron allí solo pudieron formarse a partir de compuestos con altos puntos de fusión, como metales (como hierro , níquel y aluminio ) y silicatos rocosos . Estos cuerpos rocosos se convertirían en los planetas terrestres ( Mercurio , Venus , la Tierra y Marte ). Estos compuestos son bastante raros en el Universo, constituyendo solo el 0,6 % de la masa de la nebulosa, por lo que los planetas terrestres no pudieron crecer mucho. ^{[ 12 ]} Los embriones terrestres crecieron hasta aproximadamente 0,05 masas terrestres ( M _🜨 ) y dejaron de acumular materia unos 100 000  años después de la formación del Sol; las colisiones y fusiones posteriores entre estos cuerpos del tamaño de planetas permitieron que los planetas terrestres crecieran hasta sus tamaños actuales. ^{[ 39 ]}

Cuando se formaban los planetas terrestres, permanecían inmersos en un disco de gas y polvo. La presión sostenía parcialmente el gas, por lo que no orbitaba alrededor del Sol tan rápidamente como los planetas. La resistencia resultante y, más importante aún, las interacciones gravitacionales con el material circundante provocaron una transferencia de momento angular , y como resultado, los planetas migraron gradualmente a nuevas órbitas. Los modelos muestran que las variaciones de densidad y temperatura en el disco gobernaron esta tasa de migración, ^{[ 40 ] [ 41 ]} pero la tendencia general fue que los planetas interiores migraran hacia adentro a medida que el disco se disipaba, dejando a los planetas en sus órbitas actuales. ^{[ 42 ]}

Los planetas gigantes ( Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno ) se formaron más allá, más allá de la línea de congelación , que es el punto entre las órbitas de Marte y Júpiter donde el material es lo suficientemente frío como para que los compuestos de hielo volátiles permanezcan sólidos. Los hielos que formaron los planetas jovianos eran más abundantes que los metales y silicatos que formaron los planetas terrestres, lo que permitió que los planetas gigantes crecieran lo suficientemente masivos como para capturar hidrógeno y helio, los elementos más ligeros y abundantes . ^{[ 12 ]} Los planetesimales más allá de la línea de congelación acumularon hasta 4 M _🜨 en aproximadamente 3 millones de años. ^{[ 39 ]} Hoy, los cuatro planetas gigantes comprenden poco menos del 99% de toda la masa que orbita el Sol. ^{[ b ]} Los teóricos creen que no fue casualidad que Júpiter se encuentre justo más allá de la línea de congelación. Debido a que la línea de congelación acumuló grandes cantidades de agua por evaporación del material helado que caía, creó una región de menor presión que aumentó la velocidad de las partículas de polvo en órbita y detuvo su movimiento hacia el Sol. En efecto, la línea de hielo actuó como una barrera que provocó que el material se acumulara rápidamente a ~5 UA del Sol. Este exceso de material se condensó en un gran embrión (o núcleo) del orden de 10 M _🜨 , que comenzó a acumular una envoltura mediante la acreción de gas del disco circundante a un ritmo cada vez mayor. ^{[ 43 ] [ 44 ]} Una vez que la masa de la envoltura se igualó aproximadamente a la masa del núcleo sólido, el crecimiento procedió muy rápidamente, alcanzando unas 150 masas terrestres ~10 ⁵ años después y finalmente llegando a un máximo de 318 M _🜨 . ^{[ 45 ]} Saturno puede deber su masa sustancialmente menor simplemente a haberse formado unos pocos millones de años después de Júpiter, cuando había menos gas disponible para consumir. ^{[ 39 ] [ 46 ]}       

Las estrellas T Tauri como el Sol joven tienen vientos estelares mucho más fuertes que las estrellas más estables y viejas. Se cree que Urano y Neptuno se formaron después de Júpiter y Saturno, cuando el fuerte viento solar había arrastrado gran parte del material del disco. Como resultado, esos planetas acumularon poco hidrógeno y helio, no más de 1 M _🜨 cada uno. A Urano y Neptuno a veces se les denomina núcleos fallidos. ^{[ 47 ]} El principal problema con las teorías de formación de estos planetas es la escala de tiempo de su formación. En las ubicaciones actuales, sus núcleos habrían tardado millones de años en acumularse. ^{[ 46 ]} Esto significa que Urano y Neptuno pueden haberse formado más cerca del Sol, cerca o incluso entre Júpiter y Saturno, migrando o siendo expulsados ​​posteriormente hacia afuera (véase Migración planetaria más abajo). ^{[ 47 ] [ 3 ]} El movimiento en la era planetesimal no fue todo hacia adentro, hacia el Sol; La muestra de Stardust traída del cometa Wild 2 ha sugerido que los materiales de la formación temprana del Sistema Solar migraron desde el Sistema Solar interior más cálido a la región del cinturón de Kuiper. ^{[ 48 ]} 

Después de entre tres y diez millones de años, ^{[ 39 ]} el viento solar del joven Sol habría eliminado todo el gas y el polvo del disco protoplanetario, dispersándolo en el espacio interestelar y poniendo fin así al crecimiento de los planetas. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Al final de la época de formación planetaria, el Sistema Solar interior estaba poblado por entre 50 y 100 protoplanetas del tamaño de la Luna a Marte . ^{[ 52 ] [ 53 ]} El crecimiento posterior solo fue posible porque estos cuerpos colisionaron y se fusionaron, lo que tardó menos de 100 millones de años. Estos objetos habrían interactuado gravitacionalmente entre sí, tirando de las órbitas de los demás hasta que colisionaron, creciendo hasta que se formaron los cuatro planetas terrestres que conocemos hoy. ^{[ 39 ]} Se cree que una de estas colisiones gigantes formó la Luna (véase Lunas más abajo), mientras que otra eliminó la envoltura exterior del joven Mercurio . ^{[ 54 ]} 

Un problema sin resolver de este modelo es que no puede explicar cómo las órbitas iniciales de los planetas prototerrestres, que habrían necesitado ser altamente excéntricas para colisionar, produjeron las órbitas notablemente estables y casi circulares que tienen hoy. ^{[ 52 ]} Una hipótesis para esta "descarga de excentricidad" es que los planetas terrestres se formaron en un disco de gas aún no expulsado por el Sol. El " arrastre gravitacional " de este gas residual habría disminuido eventualmente la energía de los planetas, suavizando sus órbitas. ^{[ 53 ]} Sin embargo, dicho gas, de haber existido, habría impedido que las órbitas de los planetas terrestres se volvieran tan excéntricas en primer lugar. ^{[ 39 ]} Otra hipótesis es que el arrastre gravitacional no ocurrió entre los planetas y el gas residual, sino entre los planetas y los cuerpos pequeños restantes. A medida que los cuerpos grandes se movían a través de la multitud de objetos más pequeños, estos últimos, atraídos por la gravedad de los planetas más grandes, formaron una región de mayor densidad, una "estela gravitacional", en la trayectoria de los objetos más grandes. Al hacerlo, la mayor gravedad de la estela ralentizó los objetos más grandes, llevándolos a órbitas más regulares. ^{[ 55 ]}

El borde exterior de la región terrestre, entre 2 y 4  UA del Sol, se denomina cinturón de asteroides . Inicialmente, el cinturón de asteroides contenía materia más que suficiente para formar 2 o 3 planetas similares a la Tierra, y, de hecho, allí se formó un gran número de planetesimales . Al igual que con los terrestres, los planetesimales de esta región se fusionaron posteriormente y formaron entre 20 y 30 embriones planetarios del tamaño de la Luna o Marte ; ^{[ 56 ]} sin embargo, la proximidad de Júpiter significó que, tras la formación de este planeta, 3  millones de años después del Sol, la historia de la región cambió drásticamente. ^{[ 52 ]} Las resonancias orbitales con Júpiter y Saturno son particularmente fuertes en el cinturón de asteroides, y las interacciones gravitacionales con embriones más masivos dispersaron muchos planetesimales en dichas resonancias. La gravedad de Júpiter aumentó la velocidad de los objetos dentro de estas resonancias, provocando que se fragmentaran al colisionar con otros cuerpos, en lugar de acrecionarse. ^{[ 57 ]}

A medida que Júpiter migraba hacia adentro tras su formación (véase Migración planetaria más abajo), las resonancias habrían barrido el cinturón de asteroides, excitando dinámicamente la población de la región y aumentando sus velocidades relativas entre sí. ^{[ 58 ]} La acción acumulativa de las resonancias y los embriones dispersó los planetesimales lejos del cinturón de asteroides o excitó sus inclinaciones y excentricidades orbitales . ^{[ 56 ] [ 59 ]} Algunos de esos embriones masivos también fueron eyectados por Júpiter, mientras que otros pudieron haber migrado al Sistema Solar interior y jugado un papel en la acreción final de los planetas terrestres. ^{[ 56 ] [ 60 ] [ 61 ]} Durante este período de agotamiento primario, los efectos de los planetas gigantes y los embriones planetarios dejaron el cinturón de asteroides con una masa total equivalente a menos del 1% de la de la Tierra, compuesta principalmente por pequeños planetesimales. ^{[ 59 ]} Esto sigue siendo entre 10 y 20 veces más que la masa actual en el cinturón principal, que ahora es de aproximadamente 0,0005 M _🜨 . ^{[ 62 ]} Se cree que un período de agotamiento secundario que redujo el cinturón de asteroides a cerca de su masa actual siguió cuando Júpiter y Saturno entraron en una resonancia orbital temporal 2:1 (ver más abajo). 

El período de impactos gigantes del sistema solar interior probablemente jugó un papel en la adquisición por parte de la Tierra de su contenido de agua actual (~6 × 10²¹  kg) del cinturón de asteroides primitivo. El agua es demasiado volátil para haber estado presente en la formación de la Tierra y debe haber sido aportada posteriormente desde las partes exteriores y más frías del Sistema Solar. ^{[ 63 ]} El agua probablemente fue aportada por embriones planetarios y pequeños planetesimales expulsados ​​del cinturón de asteroides por Júpiter. ^{[ 60 ]} Una población de cometas del cinturón principal descubierta en 2006 también se ha sugerido como una posible fuente del agua de la Tierra. ^{[ 63 ] [ 64 ]} En contraste, los cometas del cinturón de Kuiper o regiones más lejanas aportaron no más del 6% del agua de la Tierra. ^{[ 2 ] [ 65 ]} La hipótesis de la panspermia sostiene que la vida misma puede haber sido depositada en la Tierra de esta manera, aunque esta idea no es ampliamente aceptada. ^{[ 66 ]}

Según la hipótesis nebular, los dos planetas exteriores podrían estar en el lugar equivocado. Urano y Neptuno (conocidos como los " gigantes de hielo ") existen en una región donde la menor densidad de la nebulosa solar y los tiempos orbitales más largos hacen que su formación allí sea altamente improbable. ^{[ 67 ]} En cambio, se cree que se formaron en órbitas cercanas a Júpiter y Saturno (conocidos como los " gigantes gaseosos "), donde había más material disponible, y que migraron hacia afuera hasta sus posiciones actuales a lo largo de cientos de millones de años. ^{[ 47 ]}

La migración de los planetas exteriores también es necesaria para explicar la existencia y las propiedades de las regiones más externas del Sistema Solar. ^{[ 3 ]} Más allá de Neptuno , el Sistema Solar continúa en el cinturón de Kuiper , el disco disperso y la nube de Oort , tres poblaciones dispersas de pequeños cuerpos helados que se cree que son los puntos de origen de la mayoría de los cometas observados . A su distancia del Sol, la acreción era demasiado lenta para permitir que se formaran planetas antes de que la nebulosa solar se dispersara, y por lo tanto el disco inicial carecía de la densidad de masa suficiente para consolidarse en un planeta. ^{[ 67 ]} El cinturón de Kuiper se encuentra entre 30 y 55  UA del Sol, mientras que el disco disperso más lejano se extiende a más de 100  UA, ^{[ 3 ]} y la distante nube de Oort comienza a unas 50 000  UA. ^{[ 68 ]} Originalmente, sin embargo, el cinturón de Kuiper era mucho más denso y estaba más cerca del Sol, con un borde exterior a aproximadamente 30  UA. Su borde interior habría estado justo más allá de las órbitas de Urano y Neptuno, que a su vez estaban mucho más cerca del Sol cuando se formaron (muy probablemente en el rango de 15 a 20  UA), y en el 50% de las simulaciones terminaron en ubicaciones opuestas, con Urano más lejos del Sol que Neptuno. ^{[ 69 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Según el modelo de Niza , tras la formación del Sistema Solar, las órbitas de todos los planetas gigantes continuaron cambiando lentamente, influenciadas por su interacción con la gran cantidad de planetesimales restantes. Después de 500-600  millones de años (  hace unos 4 mil millones de años), Júpiter y Saturno entraron en una resonancia 2:1: Saturno orbitaba alrededor del Sol una vez por cada dos órbitas de Júpiter. ^{[ 3 ]} Esta resonancia creó un empuje gravitacional contra los planetas exteriores, posiblemente causando que Neptuno pasara por delante de Urano y se adentrara en el antiguo cinturón de Kuiper. ^{[ 69 ]} Los planetas dispersaron la mayoría de los pequeños cuerpos helados hacia el interior, mientras que ellos mismos se movían hacia el exterior. Estos planetesimales luego se dispersaron del siguiente planeta que encontraron de manera similar, moviendo las órbitas de los planetas hacia el exterior mientras ellos se movían hacia el interior. ^{[ 3 ]} Este proceso continuó hasta que los planetesimales interactuaron con Júpiter, cuya inmensa gravedad los envió a órbitas altamente elípticas o incluso los expulsó directamente del Sistema Solar. Esto provocó que Júpiter se moviera ligeramente hacia adentro. ^{[ c ]} Aquellos objetos dispersados ​​por Júpiter en órbitas altamente elípticas formaron la nube de Oort; ^{[ 3 ]} aquellos objetos dispersados ​​en menor grado por el Neptuno migratorio formaron el actual cinturón de Kuiper y el disco disperso. ^{[ 3 ]} Este escenario explica la baja masa actual del cinturón de Kuiper y del disco disperso. Algunos de los objetos dispersos, incluido Plutón , quedaron ligados gravitacionalmente a la órbita de Neptuno, lo que los obligó a entrar en resonancias de movimiento medio . ^{[ 70 ]} Finalmente, la fricción dentro del disco planetesimal hizo que las órbitas de Urano y Neptuno volvieran a ser casi circulares. ^{[ 3 ] [ 71 ]}

A diferencia de los planetas exteriores, no se cree que los planetas interiores hayan migrado significativamente a lo largo de la edad del Sistema Solar, porque sus órbitas se han mantenido estables después del período de impactos gigantes. ^{[ 39 ]}

Otra pregunta es por qué Marte resultó tan pequeño en comparación con la Tierra. Un estudio del Southwest Research Institute, San Antonio, Texas, publicado el 6 de junio de 2011 (denominado hipótesis de Grand Tack ), propone que Júpiter migró hacia el interior hasta 1,5  UA. Después de que Saturno se formara, migrara hacia el interior y estableciera la resonancia de movimiento medio 2:3 con Júpiter, el estudio asume que ambos planetas migraron de vuelta a sus posiciones actuales. Júpiter, por lo tanto, habría consumido gran parte del material que habría creado un Marte más grande. Las mismas simulaciones también reproducen las características del cinturón de asteroides moderno, con asteroides secos y objetos ricos en agua similares a los cometas. ^{[ 72 ] [ 73 ]} Sin embargo, no está claro si las condiciones en la nebulosa solar habrían permitido que Júpiter y Saturno volvieran a sus posiciones actuales, y según las estimaciones actuales, esta posibilidad parece improbable. ^{[ 74 ]} Además, existen explicaciones alternativas para la pequeña masa de Marte. ^{[ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]}

La perturbación gravitacional de la migración de los planetas exteriores habría enviado un gran número de asteroides al sistema solar interior, agotando gravemente el cinturón original hasta que alcanzó la masa extremadamente baja actual. ^{[ 59 ]} Este evento pudo haber desencadenado el Bombardeo Intenso Tardío que se hipotetiza que ocurrió  hace aproximadamente 4 mil millones de años, 500–600  millones de años después de la formación del Sistema Solar. ^{[ 2 ] [ 78 ]} Sin embargo, una reevaluación reciente de las restricciones cosmoquímicas indica que probablemente no hubo un pico tardío ("cataclismo terminal") en la tasa de bombardeo. ^{[ 79 ]}

De haber ocurrido, este período de intenso bombardeo duró varios cientos de millones de años y es evidente en los cráteres aún visibles en cuerpos geológicamente muertos del Sistema Solar interior, como la Luna y Mercurio. ^{[ 2 ] [ 80 ]} La evidencia más antigua conocida de vida en la Tierra data de  hace 3.800 millones de años, casi inmediatamente después del final del Gran Bombardeo Tardío. ^{[ 81 ]}

Se cree que los impactos son una parte regular (aunque actualmente poco frecuente) de la evolución del Sistema Solar. Que sigan ocurriendo se evidencia en la colisión del cometa Shoemaker-Levy 9 con Júpiter en 1994, el impacto de Júpiter de 2009 , el evento de Tunguska , el meteorito de Cheliábinsk y el impacto que creó el cráter Meteor en Arizona . Por lo tanto, el proceso de acreción no está completo y aún puede representar una amenaza para la vida en la Tierra. ^{[ 82 ] [ 83 ]}

Durante la evolución del Sistema Solar, los cometas fueron expulsados ​​del Sistema Solar interior por la gravedad de los planetas gigantes y enviados a miles de UA hacia afuera para formar la nube de Oort , un enjambre exterior esférico de núcleos cometarios en el extremo más alejado de la atracción gravitatoria del Sol. Finalmente, después de unos 800 millones de años, la perturbación gravitatoria causada por las mareas galácticas , las estrellas que pasaban cerca y las nubes moleculares gigantes comenzó a agotar la nube, enviando cometas al Sistema Solar interior. ^{[ 84 ]} La evolución del Sistema Solar exterior también parece haber sido influenciada por la erosión espacial causada por el viento solar, los micrometeoritos y los componentes neutros del medio interestelar . ^{[ 85 ]}

La evolución del cinturón de asteroides después del Bombardeo Intenso Tardío estuvo regida principalmente por colisiones. ^{[ 86 ]} Los objetos con gran masa tienen suficiente gravedad para retener cualquier material expulsado por una colisión violenta. En el cinturón de asteroides, esto generalmente no sucede. Como resultado, muchos objetos más grandes se han fragmentado y, a veces, se han forjado objetos más nuevos a partir de los restos en colisiones menos violentas. ^{[ 86 ]} Las lunas alrededor de algunos asteroides actualmente solo pueden explicarse como consolidaciones de material expulsado del objeto progenitor sin la energía suficiente para escapar completamente de su gravedad. ^{[ 87 ]}

El Sistema Solar es caótico en escalas de tiempo de millones y miles de millones de años, ^{[ 102 ]} con las órbitas de los planetas abiertas a variaciones a largo plazo. Un ejemplo notable de este caos es el sistema Neptuno-Plutón, que se encuentra en una resonancia orbital 3:2 . Aunque la resonancia en sí permanecerá estable, resulta imposible predecir la posición de Plutón con algún grado de precisión más allá de 10-20  millones de años (el tiempo de Lyapunov ) en el futuro. ^{[ 103 ]} Otro ejemplo es la inclinación axial de la Tierra , que, debido a la fricción generada dentro del manto terrestre por las interacciones de marea con la Luna ( véase más adelante ), es incalculable a partir de algún punto entre 1.5 y 4.5 mil millones de años a partir de ahora. ^{[ 104 ]}

Las órbitas de los planetas exteriores son caóticas en escalas de tiempo más largas, con un tiempo de Lyapunov que oscila entre 2 y 230  millones de años. ^{[ 105 ]} En todos los casos, esto significa que la posición de un planeta a lo largo de su órbita se vuelve, en última instancia, imposible de predecir con certeza (por lo que, por ejemplo, el momento del invierno y el verano se vuelve incierto). Aun así, en algunos casos, las órbitas mismas pueden cambiar drásticamente. Este caos se manifiesta con mayor fuerza como cambios en la excentricidad , con órbitas de algunos planetas que se vuelven significativamente más —o menos— elípticas . ^{[ 106 ]}

En última instancia, el Sistema Solar es estable, ya que es improbable que alguno de los planetas colisione con otro o sea expulsado del sistema en los próximos miles de millones de años. ^{[ 105 ]} Más allá de esto, dentro de unos cinco  mil millones de años, la excentricidad de Marte podría aumentar hasta alrededor de 0,2, de modo que se encuentre en una órbita que cruce la de la Tierra, lo que provocaría una posible colisión. En la misma escala temporal, la excentricidad de Mercurio podría aumentar aún más, y un encuentro cercano con Venus podría, en teoría, expulsarlo por completo del Sistema Solar ^{[ 102 ]} o enviarlo en curso de colisión con Venus o la Tierra . ^{[ 107 ]} Esto podría ocurrir dentro de mil millones de años, según simulaciones numéricas en las que se perturba la órbita de Mercurio. ^{[ 108 ]}

The evolution of moon systems is driven by tidal forces. A moon will raise a tidal bulge in the object it orbits (the primary) due to the differential gravitational force across diameter of the primary. If a moon is revolving in the same direction as the planet's rotation and the planet is rotating faster than the orbital period of the moon, the bulge will constantly be pulled ahead of the moon. In this situation, angular momentum is transferred from the rotation of the primary to the revolution of the satellite. The moon gains energy and gradually spirals outward, while the primary rotates more slowly over time.

The Earth and its Moon are one example of this configuration. Today, the Moon is tidally locked to the Earth; one of its revolutions around the Earth (currently about 27.3 days) is equal to one of its rotations about its axis, so it always shows one face to the Earth. The Moon will continue to recede from Earth, and Earth's spin will continue to slow gradually. Other examples are the Galilean moons of Jupiter (as well as many of Jupiter's smaller moons)^[109] and most of the larger moons of Saturn.^[110]

Un escenario diferente ocurre cuando la luna gira alrededor del cuerpo principal más rápido que la rotación de este, o gira en dirección opuesta a la rotación del planeta. En estos casos, el abultamiento de marea se retrasa con respecto a la luna en su órbita. En el primer caso, la dirección de la transferencia de momento angular se invierte, por lo que la rotación del cuerpo principal se acelera mientras que la órbita del satélite se reduce. En el segundo caso, el momento angular de la rotación y la revolución tienen signos opuestos, por lo que la transferencia conduce a disminuciones en la magnitud de cada uno (que se cancelan entre sí). ^{[ d ]} En ambos casos, la desaceleración de marea hace que la luna gire en espiral hacia el cuerpo principal hasta que sea destrozada por las tensiones de marea, creando potencialmente un sistema de anillos planetarios , o choque contra la superficie o la atmósfera del planeta. Un destino similar les espera a las lunas Fobos de Marte (dentro de 30  a  50  millones de años), ^{[ 111 ]} Tritón de Neptuno (en 28 mil millones de años), ^{[ 112 ]} y al menos 16 pequeños satélites de Urano y Neptuno. Desdémona de Urano incluso podría colisionar con una de sus lunas vecinas. ^{[ 113 ]}

Una tercera posibilidad es que el cuerpo principal y la Luna estén acoplados por las fuerzas de marea. En ese caso, el abultamiento de marea permanece directamente debajo de la Luna, no hay transferencia de momento angular y el período orbital no cambia. Plutón y Caronte son un ejemplo de este tipo de configuración. ^{[ 114 ]}

No existe consenso sobre el mecanismo de formación de los anillos de Saturno. Aunque los modelos teóricos indicaban que los anillos probablemente se formaron al principio de la historia del Sistema Solar, ^{[ 115 ]} los datos de la nave espacial Cassini-Huygens sugieren que se formaron relativamente tarde. ^{[ 116 ]}

La formación del Sistema Solar se produjo después de que el gas y el polvo se unieran para formar un disco protoplanetario. La gran mayoría de este material procedía de una supernova pasada .

A largo plazo, los mayores cambios en el Sistema Solar provendrán de cambios en el propio Sol a medida que envejece. A medida que el Sol consume su suministro de hidrógeno, se calienta y quema el combustible restante aún más rápido. Como resultado, el Sol se vuelve más brillante a una tasa del diez por ciento cada 1100  millones de años. ^{[ 117 ]} En unos 600 millones de años, el brillo del Sol habrá alterado el ciclo del carbono de la Tierra hasta el punto en que los árboles y los bosques (vida vegetal fotosintética C3) ya no podrán sobrevivir; y en unos 800 millones de años, el Sol habrá aniquilado toda la vida compleja en la superficie de la Tierra y en los océanos. En 1100 millones de años, el aumento de la radiación solar provocará que su zona habitable circunestelar se desplace hacia afuera, haciendo que la superficie de la Tierra sea demasiado caliente para que exista agua líquida de forma natural. En este punto, toda la vida se habrá reducido a organismos unicelulares. ^{[ 118 ]} La evaporación del agua, un potente gas de efecto invernadero , de la superficie de los océanos podría acelerar el aumento de la temperatura, lo que potencialmente acabaría con toda la vida en la Tierra incluso antes. ^{[ 119 ]} Durante este tiempo, es posible que, a medida que la temperatura de la superficie de Marte aumente gradualmente, el dióxido de carbono y el agua actualmente congelados bajo el regolito superficial se liberen a la atmósfera, creando un efecto invernadero que calentará el planeta hasta que alcance condiciones paralelas a las de la Tierra hoy, proporcionando un posible futuro hogar para la vida. ^{[ 120 ]} Dentro de 3.500  millones de años, las condiciones de la superficie de la Tierra serán similares a las de Venus hoy. ^{[ 117 ]}

Dentro de unos 5.400  millones de años, el núcleo del Sol se calentará lo suficiente como para desencadenar la fusión de hidrógeno en su envoltura circundante. ^{[ 118 ]} Esto provocará que las capas exteriores de la estrella se expandan enormemente, y la estrella entrará en una fase de su vida en la que se la denomina gigante roja . ^{[ 121 ] [ 122 ]} En 7.500  millones de años, el Sol se habrá expandido hasta un radio de 1,2 UA (180 × 10 ^ ⁶ km; 110 × 10 ^ ⁶ mi) —256 veces su tamaño actual. En la punta de la rama de las gigantes rojas , como resultado del área superficial enormemente aumentada, la superficie del Sol será mucho más fría (alrededor de 2.600 K (2.330 °C; 4.220 °F) ) que ahora, y su luminosidad mucho mayor —hasta 2.700 luminosidades solares actuales. Durante parte de su vida como gigante roja, el Sol tendrá un fuerte viento estelar que se llevará alrededor del 33% de su masa. ^{[ 118 ] [ 123 ] [ 124 ]} Durante estos períodos, la zona habitable del Sistema Solar se expandirá al rango de 49,4 UA a 71,4 UA, llegando hasta el Cinturón de Kuiper. ^{[ 118 ]}       

A medida que el Sol se expande, engullirá a los planetas Mercurio y Venus . ^{[ 125 ]} El destino de la Tierra es menos claro; aunque el Sol envolverá la órbita actual de la Tierra, la pérdida de masa de la estrella (y por lo tanto una gravedad más débil) hará que las órbitas de los planetas se alejen aún más. ^{[ 118 ]} Si solo fuera por esto, Venus y la Tierra probablemente escaparían de la incineración, ^{[ 123 ]} pero un estudio de 2008 sugiere que la Tierra posiblemente, pero probablemente, se vaporizará lentamente como resultado de las interacciones de marea con la envoltura exterior débilmente ligada del Sol. ^{[ 118 ]} Sin embargo, un estudio reciente de 2026 ha sugerido que es probable que la Tierra sobreviva al engullimiento. ^{[ 126 ]}

Además, la zona habitable del Sol se desplazará hacia el Sistema Solar exterior y, finalmente, más allá del cinturón de Kuiper al final de la fase de gigante roja, lo que provocará el deshielo de cuerpos helados como Encélado y Plutón. Durante este tiempo, estos mundos podrían sustentar un ciclo hidrológico basado en el agua , pero, al ser demasiado pequeños para albergar una atmósfera densa como la de la Tierra, experimentarían diferencias extremas de temperatura entre el día y la noche. Cuando el Sol abandone la rama de gigante roja y entre en la rama de gigante asintótica , la zona habitable se reducirá abruptamente hasta aproximadamente el espacio entre las órbitas actuales de Júpiter y Saturno, pero hacia el final de los 200  millones de años de duración de la fase de gigante asintótica, se expandirá hacia afuera hasta aproximadamente la misma distancia que antes. ^{[ 127 ]}

Gradualmente, la combustión de hidrógeno en la capa que rodea el núcleo solar aumentará la masa del núcleo hasta que alcance aproximadamente el 45% de la masa solar actual. En este punto, la densidad y la temperatura serán tan altas que comenzará la fusión de helio en carbono , lo que dará lugar a un destello de helio ; el Sol se contraerá de aproximadamente 250 a 11  veces su radio actual (de la secuencia principal). En consecuencia, su luminosidad disminuirá de aproximadamente 3000 a 54 veces su nivel actual, y su temperatura superficial aumentará a aproximadamente 4770 K (4500 °C; 8130 °F) . El Sol se convertirá en una gigante horizontal , quemando helio en su núcleo de manera estable, de forma muy parecida a como quema hidrógeno hoy en día. La etapa de fusión de helio durará solo 100 millones de años. Eventualmente, tendrá que recurrir de nuevo a las reservas de hidrógeno y helio en sus capas exteriores. Se expandirá por segunda vez, convirtiéndose en lo que se conoce como una gigante asintótica . Aquí la luminosidad del Sol volverá a aumentar, alcanzando aproximadamente 2090 veces su luminosidad actual, y se enfriará hasta unos 3500 K (3230 °C; 5840 °F) . ^{[ 118 ]} Esta fase dura unos 30 millones de años, tras los cuales, a lo largo de otros 100 000 años, las capas exteriores restantes del Sol se desprenderán, expulsando una vasta corriente de materia al espacio y formando un halo conocido (erróneamente) como nebulosa planetaria . El material expulsado contendrá el helio y el carbono producidos por las reacciones nucleares del Sol, continuando así el enriquecimiento del medio interestelar con elementos pesados ​​para futuras generaciones de estrellas y planetas. ^{[ 128 ]}         

Este es un evento relativamente pacífico, nada parecido a una supernova , que el Sol es demasiado pequeño para experimentar como parte de su evolución. Cualquier observador presente para presenciar este suceso vería un aumento masivo en la velocidad del viento solar, pero no lo suficiente como para destruir un planeta por completo. Sin embargo, la pérdida de masa de la estrella podría provocar el caos en las órbitas de los planetas supervivientes, causando que algunos colisionen, otros sean expulsados ​​del Sistema Solar y otros sean destrozados por interacciones de marea. ^{[ 129 ]} Después, todo lo que quedará del Sol será una enana blanca , un objeto extraordinariamente denso, con el 54% de su masa original pero del tamaño de la Tierra. Inicialmente, esta enana blanca puede ser 100  veces más luminosa que el Sol ahora. Estará compuesta enteramente de carbono y oxígeno degenerados , pero nunca alcanzará temperaturas lo suficientemente altas como para fusionar estos elementos. Por lo tanto, el Sol enano blanco se enfriará gradualmente, volviéndose cada vez más tenue. ^{[ 130 ]}

A medida que el Sol muere, su atracción gravitatoria sobre los cuerpos en órbita, como planetas, cometas y asteroides, se debilitará debido a su pérdida de masa. Las órbitas de todos los planetas restantes se expandirán; si Venus, la Tierra y Marte aún existen, sus órbitas se ubicarán aproximadamente en 1,4 UA (210 millones de km ; 130 millones de mi ) , 1,9 UA (280 millones de km ; 180 millones de mi ) y 2,8 UA (420 millones de km ; 260 millones de mi ) , respectivamente. Ellos y los demás planetas restantes se convertirán en cáscaras oscuras y gélidas, completamente desprovistas de vida. ^{[ 123 ]} Continuarán orbitando su estrella, su velocidad disminuida debido a su mayor distancia del Sol y la gravedad reducida del Sol. Dos mil millones de años después, cuando el Sol se haya enfriado hasta el rango de 6000–8000 K (5730–7730 °C; 10 340–13 940 °F) , el carbono y el oxígeno en el núcleo del Sol se congelarán, y más del 90 % de su masa restante adoptará una estructura cristalina. ^{[ 131 ]} Finalmente, después de aproximadamente un cuatrillón de años, el Sol dejará de brillar por completo, convirtiéndose en una enana negra . ^{[ 132 ]}                    

Aunque la gran mayoría de las galaxias del Universo se alejan de la Vía Láctea, la galaxia de Andrómeda, el miembro más grande del Grupo Local de galaxias, se dirige hacia ella a unos 120  km/s. ^{[ 136 ]} En 4  mil millones de años, Andrómeda y la Vía Láctea colisionarán, provocando que ambas se deformen a medida que las fuerzas de marea distorsionan sus brazos exteriores en vastas colas de marea . Si se produce esta disrupción inicial, los astrónomos calculan una probabilidad del 12% de que el Sistema Solar sea atraído hacia afuera en la cola de marea de la Vía Láctea y una probabilidad del 3% de que quede ligado gravitacionalmente a Andrómeda y, por lo tanto, forme parte de esa galaxia. ^{[ 136 ]} Después de una serie más de golpes oblicuos, durante los cuales la probabilidad de la eyección del Sistema Solar aumenta al 30%, ^{[ 137 ]} los agujeros negros supermasivos de las galaxias se fusionarán. Finalmente, en aproximadamente 6  mil millones de años, la Vía Láctea y Andrómeda completarán su fusión en una galaxia elíptica gigante . Durante la fusión, si hay suficiente gas, la gravedad aumentada lo empujará hacia el centro de la galaxia elíptica en formación. Esto puede dar lugar a un breve período de intensa formación estelar llamado estallido estelar . ^{[ 136 ]} Además, el gas que cae alimentará el agujero negro recién formado, transformándolo en un núcleo galáctico activo . La fuerza de estas interacciones probablemente empujará al Sistema Solar hacia el halo exterior de la nueva galaxia, dejándolo relativamente indemne a la radiación de estas colisiones. ^{[ 136 ] [ 137 ]}

Es un error común pensar que esta colisión alterará las órbitas de los planetas del Sistema Solar. Si bien es cierto que la gravedad de las estrellas que pasan cerca puede desprender planetas hacia el espacio interestelar, las distancias entre las estrellas son tan grandes que la probabilidad de que la colisión entre la Vía Láctea y Andrómeda cause tal alteración en cualquier sistema estelar individual es insignificante. Aunque el Sistema Solar en su conjunto podría verse afectado por estos eventos, no se espera que el Sol y los planetas sufran perturbaciones. ^{[ 138 ]}

Sin embargo, con el tiempo, la probabilidad acumulada de un encuentro casual con una estrella aumenta, y la desintegración de los planetas se vuelve prácticamente inevitable. Suponiendo que no ocurran los escenarios del Gran Colapso o el Gran Desgarro para el fin del Universo, los cálculos sugieren que la gravedad de las estrellas que pasan cerca habrá despojado por completo al Sol muerto de sus planetas restantes en 1  cuatrillón ( ^10¹⁵ ) de años. Este punto marca el fin del Sistema Solar. Aunque el Sol y los planetas puedan sobrevivir, el Sistema Solar, en cualquier sentido significativo, dejará de existir. ^{[ 4 ]}

Nota: Todas las fechas y horas de esta cronología son aproximadas y deben tomarse únicamente como un indicador de orden de magnitud .