Các nhà thiên văn ước tính rằng Hệ Mặt Trời mà chúng ta biết ngày nay sẽ không thay đổi triệt để cho tới khi Mặt Trời sử dụng hầu hết nhiên liệu hiđrô trong nhân của nó, bắt đầu sự tiến hóa từ dãy chính của biểu đồ Hertzsprung-Russell và bước vào pha sao khổng lồ đỏ. Dù thế, Mặt Trời vẫn tiếp tục tiến hóa cho tới thời điểm đó.

Ổn định dài hạn

Hệ Mặt Trời trong trạng thái hỗn độn xét trên bậc thời gian hàng triệu hoặc hàng tỉ năm,[77] với các quỹ đạo hành tinh có khả năng thay đổi trong dài hạn. Một ví dụ nổi bật của sự hỗn độn này là hệ Sao Hải Vương-Sao Diêm Vương, nằm trong mode cộng hưởng 3:2. Mặc dù sự cộng hưởng tự thân nó ổn định, không thể nào tiên đoán được vị trí của Sao Diêm Vương với độ chính xác lớn hơn 10-20 triệu năm (thời gian Lyapunov) trong tương lai.[78] Một ví dụ khác là độ nghiêng trục quay của Trái Đất, do ma sát tăng lên trong lớp vỏ Trái Đất do tương tác thủy triều với Mặt Trăng, sẽ trở nên không tính toán được ở một điểm giữa 1,5 tỷ và 3,5 tỷ năm tới.[79]

Các quỹ đạo hành tinh hỗn độn trong bậc thời gian dài hơn, với thời gian Lyapunov trong khoảng 2-230 triệu năm nữa.[80]Trong mọi trường hợp điều này có nghĩa là vị trí của một hành tinh trên quỹ đạo của nó cuối cùng trở nên không thể tiên đoán ở bất kỳ độ xác định nào (nên, chẳng hạn, thời gian mùa đông và mùa hè trở nên bất đinh), nhưng trong một số trường hợp bản thân quỹ đạo có thể thay đổi mãnh liệt. Những hỗn độn như vậy biểu hiện mạnh mẽ nhất trong sự thay đổi độ lệch tâm, với quỹ đạo vài hành tinh có thể trở nên êlip hơn hoặc tròn lại đáng kể.[81]

Xét tổng thể trong vài tỉ năm tới Hệ Mặt Trời là ổn định theo nghĩa có lẽ không có hành tinh nào vào đập vào nhau hoặc bị văng ra khỏi hệ.[80] Nhưng xa hơn nữa, trong khoảng 5 tỷ năm độ lệch tâm của Sao Hỏa có thể lên tới 0,2, khiến nó cắt ngang quỹ đạo Trái Đất, có khả năng dẫn đến một vụ va chạm. Cũng trong khoảng thời gian đó, độ lệch tâm của Sao Thủy có thể cao hơn thế nữa, có thể va chạm với Sao Kim và về mặt lý thuyết có thể đẩy nó văng ra khỏi Hệ Mặt Trời[77] hoặc hất nó vào vị trí va chạm với Sao Kim hay Trái Đất.[82] Điều này có thể xảy ra trong khoảng 1 tỷ năm, theo các mô phỏng số, trong đó quỹ đạo Sao Thủy bị nhiễu loạn.[83]

Hệ thống vành đai mặt trăng

Sự tiến hóa của hệ thống mặt trăng chịu ảnh hưởng chi phối của các lực thủy triều. Một mặt trăng sẽ tạo ra chỗ trương lên ở thiên thể mà nó quay quanh do chênh lệch lực hấp dẫn qua đường kính của thiên thể chính. Nếu một mặt trăng quay cùng hướng với sự quay của hành tinh và hành tinh quay nhanh hơn chu kỳ quỹ đạo của mặt trăng, sự trương lên này sẽ không ngừng bị kéo phía trước mặt trăng. Trong trường hợp này, mô men động lượng sẽ truyền từ sự quay của thiên thể chính tới sự quay của vệ tinh. Mặt trăng hấp thụ năng lượng và dần dần chuyển động xoáy ra ngoài, trong khi thiên thể chính quay chậm dần đi theo thời gian.

Mặt Trăng và Trái Đất là một ví dụ của một hệ như vậy. Ngày nay, Mặt Trăng trong trạng thái bị khóa bởi lực thủy triều vào Trái Đất, mỗi vòng của nó xung quanh Trái Đất (hiện nay khoảng 29 ngày) bằng đúng một vòng quanh trục của nó, vì thế nó luôn luôn hướng 1 mặt về Trái Đất. Mặt Trăng sẽ tiếp tục rút khỏi Trái Đất, và sự tự quay của Trái Đất sẽ tiếp tục chậm lại. Trong khoảng 50 tỉ năm, nếu chúng sống sót qua sự giãn nở của Mặt trời, Mặt Trăng và Trái Đất sẽ trở nên bị khóa vào nhau, mỗi thiên thể sẽ bị bắt vào thứ gọi là cộng hưởng "tự quay-quay quỹ đạo" trong đó Mặt Trăng sẽ quay quanh Trái Đất khoảng 47 ngày và cả Mặt Trăng và Trái Đất sẽ tự quay quanh trục của chúng bằng ấy thời gian mỗi vòng, và chỉ một bán cầu của mỗi thiên thể có thể nhìn thấy nhau.[84][85] Những ví dụ khác là vệ tinh Galileo của Sao Mộc (cũng như các mặt trăng nhỏ hơn của siêu hành tinh này)[86] và hầu hết các mặt trăng lớn hơn của Sao Thổ.[87]

Sao Hải Vương và mặt trăng Triton của nó, ảnh chụp từ Voyager 2. Quỹ đạo Triton cuối cùng sẽ nằm trong Giới hạn Roche của Sao Hải Vương, xé tan nó ra từng mảnh và có thể tạo nên một hệ thống vành đai mới.

Một kịch bản khác xảy ra khi mặt trăng hoặc quay xung quanh thiên thể chính nhanh hơn thiên thể đó quay, hoặc xoay theo hướng ngược lại sự quay của thiên thể chính. Trong các trường hợp này, sự trương thủy triều tụt lại phía sau mặt trăng trên quỹ đạo của nó. Trong trường hợp đầu, hướng truyền mô men động lượng ngược lại, cho nên sự quay của hành tinh chính tăng tốc trong khi quỹ đạo của vệ tinh co lại. Trong trường hợp sau, mô men động lượng của sự quay và sự tự quay có dấu ngược nhau, cho sự truyền mô men dẫn tới sự giảm biên độ của cả hai (khử lẫn nhau). Chú ý rằng trong khi tổng động lượng của hệ này bảo toàn, tổng năng lượng lại không do nhiệt ma sát bị thất thoát đi, và đây chính là nguyên nhân gây ra sự truyền mô men động lượng. Trong cả hai trường hợp, sự tăng tốc do lực thủy triều khiến cho mặt trăng chuyển động xoáy hướng vào thiên thể chính cho tới khi hoặc nó bị áp lực thủy triều xé tan, rồi tạo nên một hệ vành đai hành tinh, hoặc nó đâm thẳng vào bề mặt hoặc khí quyển hành tinh đó. Một kết cục như vậy đang chờ các mặt trăng Phobos của Sao Hỏa (trong khoảng 30  tới 50 triệu năm nữa),[88] Triton của Sao Hải Vương (trong khoảng 3,6 tỉ năm nữa),[89] Metis và Adrastea của Sao Mộc,[90] cũng như ít nhất 16 vệ tinh nhỏ của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Desdemona thậm chí có khả năng va đập với một trong số các vệ tinh lân cận.[91]

Một khả năng thứ 3 là khi hành tinh chính và mặt trăng khóa với nhau do lực thủy triều. Trong trường hợp này, sự trương thủy triều sẽ xảy ra tức thời không có độ trễ, và do đó không có sự truyền mô men động lượng, và chu kỳ quỹ đạo sẽ không đổi. Sao Diêm Vương và Charon là một ví dụ của một hệ như vậy.[92]

Trước khi tàu vũ trụ Cassini–Huygens đi đến vào năm 2004, các vành đai Sao Thổ thường được cho là trẻ tuổi hơn nhiều Hệ Mặt Trời và người ta kì vọng sẽ không sống sót được thêm 300 triệu năm nữa. Tương tác hấp dẫn với các mặt trăng của Sao Mộc có vẻ sẽ dần dần đẩy rìa ngoài của vành đai hướng vào hành tinh, và sự mài mòn của các tiểu vẫn tinh và hấp dẫn của Sao Thổ cuối cùng tước đi phần còn lại, khiến cho Sao Thổ không còn vành đai. Tuy nhiên dữ liệu từ sứ mệnh Cassini khiến các nhà khoa học chỉnh sửa lại quan điểm ban đầu. Các quan sát phát hiện ra những mạnh băng rộng 10 km không ngừng tách ra và tái hợp, khiến nó có vẻ mới. Các vành đai Sao Thổ lớn hơn nhiều vành đai của các hành tinh khí khổng lồ khác. Khối lượng lớn này có lẽ đã bảo tồn chúng từ lúc hành tinh hình thành 4,5 tỉ năm trước đây, và có thể sẽ tiếp tục bảo tồn chúng hàng tỉ năm tới.[93]

Mặt Trời và môi trường hành tinh

Về dài hạn, những thay đổi lớn nhất trong Hệ Mặt Trời đến từ những thay đổi trong bản thân Mặt Trời khi nó già đi. Khi Mặt Trời đốt đi nguồn dự trữ hiđrô của nó, nó sẽ trở nên nóng hơn và do đó đốt phần dự trữ còn lại ngày càng nhanh. Kết quả là Mặt Trời sẽ tăng cường độ sáng với tốc độ 10% mỗi 1,1 tỉ năm.[94] Trong thời gian một tỷ năm, khi công suất bức xạ Mặt Trời tăng lên, vùng cho phép sự sống của nó sẽ dịch chuyển ra ngoài, khiến cho bề mặt Trái Đất quá nóng để nước tiếp tục tồn tại một cách tự nhiên ở thể lỏng. Vào thời điểm này, tất cả sự sống trên mặt đất sẽ bị tuyệt diệt.[95] Trước khi các đại dương hoàn toàn khô cạn, hơi nước bốc lên từ bề mặt đại dương tạo thành một nguồn khí nhà kính khổng lồ, làm tăng tốc quá trình tăng nhiệt độ, có thể chấm dứt sự sống trên Trái Đất còn sớm hơn nữa.[96] Trong khoảng thời gian này, có thể là nhiệt độ bề mặt Sao Hỏa sẽ tăng từ từ, hơi nước và CO2 hiện tại đang đóng băng dưới regolith bề mặt sẽ giải phóng vào khí quyển tạo nên hiệu ứng nhà kính nung nóng hành tinh cho đến khi nó đạt những điều kiện tương đương với Trái Đất ngày nay, do đó cung cấp nơi trú chân tiềm năng trong tương lai cho sinh vật trên Trái Đất.[97] Trong khoảng 3,5 tỉ năm tới, các điều kiện trên bề mặt Trái Đất sẽ tương tự như của Sao Kim ngày nay.[94]

Kích thước tương đối của Mặt Trời ngày nay (hình nhỏ bên trong) so với kích thước dự đoán của nó khi biến thành một sao khổng lồ đỏ

Sau khoảng 5,4 tỉ năm tới, lõi Mặt Trời sẽ trở nên đủ nóng để kích hoạt phản ứng nhiệt hạch hiđrô ở lớp vỏ bao quanh nó.[95] Điều này sẽ khiến các lớp bên ngoài nở ra mạnh mẽ, và ngôi sao sẽ bước vào một giai đoạn tiếp trong cuộc đời của nó, khi nó trở thành một sao khổng lồ đỏ.[98][99] Trong khoảng 7,5 tỉ năm, Mặt Trời sẽ giãn nở tới bán kính cỡ 1,2 AU—tức gấp 256 lần kích thước hiện tại. Ở đỉnh của nhánh sao khổng lồ đỏ trong biểu đồ tiến hóa sao, do kết quả của diện tích bề mặt tăng cực lớn, bề mặt Mặt Trời sẽ trở nên nguội hơn nhiều hiện nay (khoảng 2600 K) và độ sáng của nó cũng tăng lên 2700 lần độ sáng hiện tại. Một đặc trưng khác của sao khổng lồ đỏ là gió sao từ nó sẽ rất mạnh, đem đi khoảng 33% khối lượng của nó ra không gian.[95][100][101] Trong thời gian này, có thể là vệ tinh Titan của Sao Thổ đạt được nhiệt độ bề mặt cần thiết để đảm bảo cho sự sống tồn tại.[102][103]

Khi Mặt Trời giãn nở, nó sẽ nuốt các hành tinh ở gần gồm Sao Thủy và Sao Kim.[104] Số phận của Trái Đất thì khó lường hơn; mặc dù Mặt Trời sẽ nở ra trùm cả quỹ đạo ngày nay của Trái Đất, sự mất mát khối lượng của ngôi sao làm suy yếu hấp dẫn của nó sẽ khiến quỹ đạo các hành tinh di chuyển ra xa hơn.[95] Nếu chỉ tính đến điều này thì Sao Kim và Trái Đất có lẽ sẽ thoát khỏi sự thôn tính,[100] nhưng một nghiên cứu gần đây hơn (2008) gợi ý rằng Trái Đất sẽ bị tiêu diệt do tương tác thủy triều với lớp vỏ ngoài gắn kết lỏng lẻo của Mặt Trời.[95]

Dần dần, hiđrô đốt cháy trong vỏ bao quanh Mặt Trời sẽ làm tăng khối lượng của nó cho tới khi nó đạt khoảng 45% khối lượng hiện tại của Mặt Trời. Vào thời điểm đó mật độ và nhiệt độ sẽ đạt rất cao tới nỗi sự tổng hợp hêli thành cacbon sẽ bắt đầu, dẫn đến cái gọi là chớp hêli; Mặt Trời sẽ co lại từ 250 lần kích thước hiện tại (dãy chính) xuống còn 11 lần. Độ sáng theo đó cũng giảm từ 3000 lần mức hiện tại xuống còn 54 lần, và nhiệt độ bề mặt sẽ tăng lên tới khoảng 4770 K. Mặt Trời sẽ trở thành một ngôi sao ở nhánh chân trời, đốt cháy hêli trong nhân một cách ổn định giống như nó đang đốt hiđrô hiện nay. Pha nhiệt hạch hêli này chỉ tồn tại chừng 100 triệu năm. Cuối cùng, nó một lần nữa lại quay về nguồn dự trữ hiđrô và hêli ở các lớp bên ngoài và sẽ nở ra một lần nữa, trở thành một ngôi sao nhánh khổng lồ tiệm cận. Vào lúc đó độ sáng Mặt Trời sẽ lại tăng lần nữa, đạt 2090 lần mức hiện tại, và nó sẽ nguội lại xuống còn 3500 K.[95] Pha này tồn tại kéo dài chừng 30 triệu năm, sau đó, trong một quá trình tốn khoảng 100 nghìn năm, các lớp ngoài còn lại của Mặt Trời sẽ tách ra, tuôn những dòng vật chất khổng lồ vào không gian và tạo nên một vầng hào quang bị gọi (hiểu lầm) là một tinh vân hành tinh. Vật chất phóng ra sẽ chứa hêli và cacbon tạo từ phản ứng hạt nhân của Mặt Trời, tiếp tục cung cấp các nguyên tố nặng vào không gian liên sao cho các thế hệ sao tương lai.[105]

Tinh vân Chiếc Nhẫn, một tinh vân hành tinh tương tự như cái Mặt Trời sẽ biến thành

Đây là một sự kiện tương đối yên bình, không hề giống với một vụ nổ siêu tân tinh mà Mặt Trời vì quá bé nên không thể tạo ra. Bất kỳ người quan sát nào có mặt để chứng kiến sự kiện này sẽ thấy sự tăng cường gió Mặt Trời quy mô lớn, nhưng nó sẽ không đủ để hủy diệt hoàn toàn một hành tinh. Tuy nhiên, sự mất mát khối lượng ngôi sao có thể khiến quỹ đạo các hành tinh sống sót rơi vào hỗn độn, khiến một số va đập vào nhau, một số văng ra khỏi Hệ Mặt Trời, và số khác bị xé vụn bởi tương tác thủy triều.[106] Sau đó, tất cả những gì còn lại của Mặt Trời là một sao lùn trắng, một thiên thể cực kì đặc, với 54% khối lượng ban đầu nén vào một kích thước chỉ bằng Trái Đất. Ban đầu, sao lùn trắng này có thể sáng gấp 100 lần Mặt Trời hiện tại. Nó sẽ chứa oxi và cacbon suy biến, nhưng không bao giờ đủ nóng để phản ứng nhiệt hạch với các nguyên tố này. Do đó sao lùn trắng Mặt Trời sẽ nguội dần, trở nên ngày càng mờ đi.[107]

Khi Mặt Trời chết dần, sức hút hấp dẫn lên các thiên thể quay quanh nó, như các hành tinh, sao chổi và tiểu hành tinh sẽ yếu đi do sự mất mát khối lượng. Tất cả các hành tinh còn lại sẽ giãn quỹ đạo quay; nếu Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa vẫn còn sống sót, quỹ đạo của chúng một cách xấp xỉ sẽ tương ứng nằm trong khoảng 1,4 AU (210.000.000 km), 1,9 AU (280.000.000 km), và 2,8 AU (420.000.000 km). Chúng và các hành tinh còn lại khác sẽ trở thành các khối vật thể lạnh lẽo, tối tăm, hoàn toàn tiêu diệt bất kỳ dạng sự sống nào.[100] Chúng sẽ tiếp tục quay quanh ngôi sao, vận tốc giảm dần do khoảng cách tới Mặt Trời tăng và hấp dẫn Mặt Trời giảm. Hai tỉ năm sau đó, khi Mặt Trời nguội xuống khoảng 6000–8000K, cacbon & oxi trong lõi Mặt Trời sẽ đóng băng, với 90% khối lượng còn lại của nó mang một cấu trúc tinh thể.[108] Cuối cùng, sau thêm hàng tỉ năm nữa, Mặt Trời sẽ hoàn toàn ngừng phát sáng, trở thành một sao lùn đen.[109]