Sự tiến hóa về độ sáng, bán kính và nhiệt độ của Mặt Trời so với hiện tại[69]

Mặt Trời tạo ra năng lượng bằng cách tổng hợp hạt nhân hiđrô thành heli. Việc này xảy ra trong vùng lõi của nó nhờ hiệu ứng dây chuyền proton-proton. Do trong lõi Mặt Trời không có đối lưu, heli tập trung lại ở đó chứ không được phân bố ra toàn bộ ngôi sao. Nhiệt độ ở đó lại không đủ cao để tổng hợp hạt nhân các nguyên tử heli bằng quá trình ba hạt anpha, nên chúng không thể tạo ra lượng năng lượng cần thiết để duy trì cân bằng thủy tĩnh cho Mặt Trời.[70]

Hiện tại, gần một nửa lượng hiđrô ở lõi Mặt Trời đã được đốt cháy hết, với số nguyên tử còn lại hầu hết là heli. Khi tỉ lệ các nguyên tử hiđrô trên một đơn vị khối lượng giảm đi, lượng năng lượng được mà quá trình tổng hợp hạt nhân sản xuất ra cũng giảm theo. Điều này khiến áp suất chống đỡ giảm đi, làm cho lõi Mặt Trời co lại và mật độ vật chất và nhiệt độ ở đây tăng lên cho tới khi áp suất trở lại cân bằng với các lớp bên ngoài. Sự gia tăng nhiệt độ khiến lượng hiđrô còn lại được tổng hợp hạt nhất một cách nhanh chóng hơn, từ đó tạo ra đủ năng lượng để duy trì cân bằng thủy tĩnh.[70]

Kết quả của quá trình này là Mặt Trời sẽ ngày càng sản xuất ra nhiều năng lượng hơn. Khi Mặt Trời vừa mới bước vào tiến trình chính, độ sáng của nó chỉ bằng 70% giá trị hiện tại và tăng 1% mỗi 110 triệu năm.[71] Tương tự như vậy, trong 3 tỉ năm tới Mặt Trời được cho là sẽ sáng hơn 33%. Nhiên liệu hiđrô trong lõi của Mặt Trời sẽ cạn kiệt sau 4,8 tỉ năm tới, khi đó nó sẽ sáng hơn hiện tại 67%. Sau đó nó sẽ tiếp tục đốt cháy hiđrô trong một lớp vỏ bao quanh phần lõi của mình cho đến khi đạt độ sáng bằng 121% hiện tại. Lúc này Mặt Trời đã kết thúc tiến trình chính, bước sang giai đoạn sao bán khổng lồ và bắt đầu tiến hóa thành sao khổng lồ đỏ.[1]

Tại thời điểm này, rất có thể vụ va chạm giữa thiên hà Tiên Nữ và Ngân Hà đang diễn ra. Mặc dù sự kiện này có thể khiến hệ Mặt Trời bị văng ra khỏi thiên hà mới được tạo ra, rất ít khả năng Mặt Trời và các hành tinh của mình bị ảnh hưởng tiêu cực.[72][73]

Tác động lên khí hậu

Sau khi đốt cháy hết hiđrô trong 4,8 tỉ năm tới, Mặt Trời sẽ bước vào giai đoạn sao bán khổng lồ và tăng gấp đôi kích thước trong vòng 2 tỉ năm tiếp theo. Sau đó nó sẽ giãn nở nhanh hơn trong 500 triệu năm nữa cho tới khi đạt kích thước gấp 200 lần hiện tại. Khi diện tích bề mặt của Mặt Trời tăng lên, lượng năng lượng mà nó tỏa ra cũng tăng theo. Trừ khi bán kính quỹ đạo của Trái Đất tăng lên đáng kể, nhiệt độ toàn cầu của Trái Đất sẽ gia tăng theo độ sáng ngày càng cao của Mặt Trời, đồng thời nước sẽ bay hơi ra ngoài không gian ngày càng nhiều hơn. Hiện tại, hiđrô trong khí quyển thoát ra ngoài không gian với tốc độ xấp xỉ 1 mét mực nước biển mỗi 1 tỉ năm, nhưng khi Mặt Trời ngày càng nóng lên, tốc độ này sẽ tăng lên đến 1 mét mực nước biển mỗi 1 triệu năm. Sự biến mất của nước trên bề mặt Trái Đất với vai trò là chất bôi trơn sẽ khiến lớp vỏ Trái Đất trở nên quá khô và không thể bị hút chìm xuống lớp phủ, từ đó làm cho hoạt động kiến tạo mảng diễn ra chậm đi và cuối cùng dừng lại. Khi đó, cacbon không còn được giải phóng vào khí quyển thông qua hoạt động núi lửa, và đồng thời cũng không thể bị hút chìm xuống đáy đại dương, tức là chu trình cacbon cũng sẽ chấm dứt. Nhà khoa học địa chất James Kasting thì lại cho rằng các đại dương sẽ biến mất trong chỉ 1 tỉ năm, sớm hơn nhiều so với mốc thời gian trên.[74]

Quá trình phong hóa các khoáng vật silicat sẽ diễn ra nhanh hơn. Theo đó lượng cacbon điôxít sẽ giảm đi, do những quá trình đó chuyển hóa cacbon điôxít thành các cacbonat. Trong vòng 600 triệu năm tới, mật độ CO
2 sẽ giảm quá ngưỡng cần thiết để duy trì quá trình quang hợp của thực vật C3 (khoảng 50 phần triệu). Lúc này, cây cối và các khu rừng hiện nay sẽ không thể tiếp tục tồn tại[75] chỉ còn thông thường xanh có khả năng sống sót.[76] Tuy nhiên, thực vật C4 có thể tiếp tục quang hợp ở mật độ CO
2 thấp hơn nhiều (trên 10 phần triệu), nhờ đó có khả năng tồn tại trong ít nhất 0,8 là tỉ năm và nhiều nhất là 1,2 tỉ năm tới. Sau đó nhiệt độ tăng cao sẽ khiến sinh quyển không thể sống sót.[77][78][79] Hiện nay, thực vật C4, điển hình là 50% tổng số loài thuộc họ Cỏ[80] và nhiều loài khác thuộc họ Dền,[81] chiếm khoảng 5% sinh khối thực vật và 1% tổng số loài thực vật được biết đến.[82]

Khi đã giảm xuống tới ngưỡng không thể duy trì quang hợp, hàm lượng CO2 sẽ bắt đầu dao động lên và xuống. Điều này cho phép thực vật trên cạn sinh sôi mỗi khi mức CO2 tăng lên. Nhưng trong dài hạn toàn bộ thực vật vẫn sẽ tuyệt chủng.[83] Một số vi sinh vật có khả năng quang hợp ở hàm lượng CO2 thấp tới vài phần triệu, nên những dạng sống này có thể sẽ tiếp tục tồn tại cho tới khi nhiệt độ trở nên quá cao.[77] Thực vật—và theo đó là động vật—cũng có thể sống sót lâu hơn bằng cách tiến hóa. Một số chiến lược bao gồm giảm lượng CO2 cần thiết cho quang hợp, chuyển sang ăn thịt, thích nghi với sự khô hạn, và cộng sinh với nấm. Những sự thích nghi như vậy nhiều khả năng sẽ diễn ra khi hiệu ứng nhà kính ẩm bắt đầu.[76]

Do sự tuyệt chủng của thực vật, khí quyển Trái Đất cũng sẽ không còn ôxi và theo đó là ôzôn. Điều này nghĩa là sự sống ngày càng ít được bảo vệ khỏi tia cực tím[76] và sẽ dần bị tuyệt diệt. Các loài động vật đầu tiên biến mất là động vật có vú lớn, tiếp đó là động vật có vú nhỏ, chim, động vật thân mềm và cá lớn, bò sát và cá nhỏ, và cuối cùng là động vật không xương sống.[10]

Trong cuốn sách The Life and Death of Planet Earth của mình, các tác giả Peter D. Ward và Donald Brownlee cho rằng một số dạng sống sẽ tiếp tục tồn tại ngay cả khi hầu hết thực vật trên Trái Đất đã biến mất. Bằng những chứng cứ hóa thạch được tìm thấy ở Burgess Shale, Ward và Brownlee đã xác định tình trạng khí hậu trong thời kì bùng nổ kỷ Cambri, từ đó dự đoán sự thay đổi khí hậu trong tương lai khi độ nóng của Mặt Trời ngày càng cao và hàm lượng ôxi trong khí quyển ngày càng giảm khiến nhiệt độ toàn cầu tăng lên, cuối cùng dẫn đến sự tuyết chủng của động vật. Họ cũng so sánh sự gia tăng rồi lại giảm đi của đa dạng sinh học với đường bay của một quả đại bác: lên cao đến hiện tại rồi rơi xuống về phía tương lai. Ban đầu, họ công nhận rằng một số loài côn trùng, bò sát, chim và động vật có vú nhỏ cũng như các sinh vật biển có thể sẽ sống sót. Tuy nhiên, họ cho rằng nếu không có ôxi do thực vật cung cấp, chúng sẽ chết vì ngạt thở trong vòng và triệu năm. Và cho dù trong khí quyển vẫn còn đủ ôxi nhờ một dạng quang hợp nào đó, nhiệt độ toàn cầu ngày càng tăng vẫn sẽ làm giảm đi sự đa dạng sinh học. Các dạng sống động vật cuối cùng sẽ bị đẩy về hai cực và thậm chí là xuống dưới mặt đất. Chúng sẽ hoạt động chủ yếu vào ban đêm và tránh nóng vào ban ngày. Hầu hết bề mặt Trái Đất sẽ trở thành những hoang mạc cằn cỗi và sự sống tập trung chủ yếu trong lòng các đại dương.[83] Tuy nhiên, khi lượng nước hữu cơ đổ từ đất liền vào các đại dương cũng như hàm lượng ôxi trong nước biển ngày càng giảm đi,[76] sự sống ở đây cũng sẽ biến mất theo cách tương tự như những gì đã xảy ra trên cạn, và động vật không xương sống, đặc biệt là những loài không phụ thuộc vào thực vật như mối và giun ống khổng lồ sinh sống gần các miệng phun thủy nhiệt,[76] là những loài động vật cuối cùng. Kết cục là các dạng sống đa bào có khả năng sẽ tuyệt chủng trong vòng 800 triệu năm, sau đó là các sinh vật nhân chuẩn trong vòng 1,3 tỉ năm và chỉ còn lại các sinh vật nhân sơ.[84]

Sự mất đi các đại dương

Khí quyển của Sao Kim đang ở trong tình trạng "siêu nhà kính"

Trong 1 tỉ năm tới, khoảng 27% lượng nước trong các đại dương sẽ bị hút chìm xuống lớp phủ của Trái Đất. Nếu không có sự can thiệp nào, tại điểm cân bằng của quá trình này trữ lượng nước trên bề mặt Trái Đất sẽ chỉ còn 65% so với hiện tại.[85] Một khi độ sáng của Mặt Trời cao hơn 10% so với hiện tại, nhiệt độ bề mặt trung bình toàn cầu sẽ đạt 320 K (47 °C). Điều này khiến cho hiệu ứng nhà kính trong khí quyển Trái Đất không ngừng gia tăng và các đại dương sẽ dần bay hơi hết.[86][87] Các mô hình về môi trường trên Trái Đất trong tương lai cho thấy tầng bình lưu sẽ chứa ngày càng nhiều phân tử nước hơn. Các phân tử này bị tia tử ngoại của Mặt Trời quang ly và giải thoát khí hiđrô ra khỏi khí quyển. Cuối cùng Trái Đất sẽ không còn nước biển trong vòng 1,1 tỉ năm tới.[88][89]

Viễn cảnh này có hai phiên bản: trong trường hợp nước biển bay hơi rất nhanh, hơi nước sẽ chiếm phần lớn tầng đối lưu và bắt đầu tích tụ ở tầng bình lưu. Ngược lại, nếu nước biển bay hơi quá chậm, hơi nước sẽ trở thành thành phần chính của khí quyển và nhiệt độ bề mặt Trái Đất nhanh chóng tăng lên đến 900 °C (1.650 °F) làm cho toàn bộ bề mặt tan chảy và hủy diệt mọi sự sống. Trên bề mặt Trái Đất không có đại dương này vẫn sẽ có những hồ nước được hình thành nên nhờ sự giải phóng nước từ lớp vỏ và lớp phủ,[50] nơi được ước tính là chứa trữ lượng nước nhiều gấp một vài lần lượng nước trên bề mặt hiện nay.[90] Ở hai cực có thể vẫn có nước và mưa, nhưng về tổng thể Trái Đất sẽ trở thành một hoang mạc cằn cỗi với những đụn cát ở khu vực xích đạo và một vài cánh đồng muối tại những vị trí trước đây từng là các đại dương, tương tự như ở hoang mạc Atacama, Chilê, khiến cho hành tinh trông giống như vệ tinh Titan của Sao Thổ.[11] Ngay cả trong những môi trường khô cằn như vậy vẫn sẽ có một số vi sinh vật mà là phần lớn là vi sinh vật ưa mặn, và thậm chí là dạng sống đa bào có khả năng sống sót.[87]. Mặc dù vậy, điều kiện sống ngày càng khắc nghiệt nhiều khả năng sẽ làm cho động vật nhân sơ tuyệt chủng từ 1,6 đến 2,8 tỉ năm nữa[10] Tuy nhiên sự sống dưới lòng đất có thể sẽ sống sót lâu hơn.[10] Điều gì xảy ra tiếp theo phụ thuộc vào cường độ của hoạt động kiến tạo mảng. Nếu sự phun trào núi lửa duy trì liên tục việc giải phóng cacbon, khí quyển sẽ bước vào trạng thái "siêu nhà kính" như những gì đang xảy ra với Sao Kim. Nhưng nếu nước không còn tồn tại trên bề mặt Trái Đất, hoạt động kiến tạo mảng sẽ dừng lại khiến cho phần lớn cacbon bị chôn vùi[11] cho đến khi Mặt Trời trở thành một ngôi sao không lồ đỏ và đủ sáng để đốt nóng lớp đá tới mức giải phóng cacbon.[90]

Sự mất đi các đại dương có thể được đẩy lùi tới hai tỉ năm sau nếu tổng áp suất khí quyển giảm xuống. Áp suất khí quyển thấp sẽ làm giảm hiệu ứng nhà kính, từ đó hạ thấp nhiệt độ bề mặt của Trái Đất. Điều này sẽ xảy ra nếu các quá trình tự nhiên làm giảm lượng khí nitơ trong khí quyển. Các nghiên cứu trên các trầm tích hữu cơ đã chỉ ra rằng ít nhất 100 kilôpascal (0,99 atm) khí nitơ đã bị loại bỏ khỏi khí quyển trong suốt 4 tỉ năm qua; đủ để làm tăng gấp đôi áp suất khí quyển hiện tại. Tốc độ giảm này đủ để bù lại tác động của sự gia tăng độ sáng Mặt Trời trong vòng 2 tỉ năm tới. Sau thời điểm đó, trừ khi nước không còn tồn tại trên bề mặt Trái Đất và hành tinh sẽ không thay đổi gì cho tới khi Mặt Trời bước vào giai đoạn sao khổng lồ đỏ, [87] hàm lượng nước ở phía dưới khí quyển sẽ lên tới 40% và hiệu ứng nhà kính ẩm sẽ bắt đầu diễn ra[91] khi Mặt Trời đạt độ sáng cao hơn 35-40% so với hiện tại trong 3-4 triệu năm nữa.[88] Khí quyển Trái Đất sẽ nóng lên và nhiệt độ bề mặt tăng đủ cao để làm tan chảy lớp đá bề mặt.[89][87] Tuy nhiên, phần lớn khí quyển sẽ tiếp tục tồn tại cho tới khi Mặt Trời bước vào giai đoạn sao khổng lồ đỏ.[92]

Kích cỡ hiện tại của Mặt Trời so với kích cỡ ước đoán của nó ở giai đoạn sao khổng lồ đỏ.

Giai đoạn sao khổng lồ đỏ

Một khi Mặt Trời ngừng đốt cháy hiđrô trong lõi của mình và chuyển sang đốt cháy hiđrô xung quanh lớp vỏ, lõi của nó sẽ bắt đầu thu nhỏ lại trong khi lớp ngoài cùng thì giãn nở ra. Độ sáng của nó sẽ tăng dần trong một tỉ năm tiếp theo cho đến khi đạt 2.730 lần độ sáng hiện tại. Trong giai đoạn này Mặt Trời sẽ mất khối lượng một cách nhanh chóng, với khoảng 33% tổng khối lượng mất đi theo gió Mặt Trời. Điều này khiến quỹ đạo của các hành tinh mở rộng, mà trong trường hợp của Trái Đất là tối đa 150% giá trị hiện tại.[71]

Sự giãn nở của Mặt Trời xảy ra nhanh nhất khi nó ở độ tuổi khoảng 12 tỉ năm. Nhiều khả năng nó sẽ đạt bán kính 1,2 AU (180.000.000 km), đủ để nuốt chửng Sao Thủy và Sao Kim. Sự tương tác với Nhật quyển sẽ làm giảm bán kính quỹ đạo của Trái Đất. Điều này có tác động ngược lại ảnh hưởng của việc Mặt Trời giảm khối lượng làm tăng bán kính quỹ đạo các hành tinh, và Trái Đất sẽ có thể bị va chạm Mặt Trời.[71] Sự bào mòn và bay hơi xảy ra khi Trái Đất tiến gần đến Mặt Trời sẽ phá hủy lớp vỏ và lớp phủ của nó, và cuối cùng là toàn bộ hành tinh sau đó nhiều nhất là 200 năm.[93] Di sản duy nhất của Trái Đất là sự gia tăng không đáng kể (0,01%) trong độ kim loại của Mặt Trời.[94]§IIC

Trước khi việc đó xảy ra, Trái Đất đã mất đi hầu hết khí quyển và bề mặt của nó sẽ trở thành một đại dương nham thạch với những lục địa kim loại và ôxít kim loại cũng như những tảng "băng trôi" làm bằng vật liệu chịu lửa. Lúc này nhiệt độ bề mặt Trái Đất đạt tới hơn 2.400 K (2.130 °C).[95]

Tinh vân Chiếc Nhẫn, một tinh vân hành tinh tương tự như thứ mà Mặt Trời sẽ tạo ra trong 8 tỉ năm tới.

Ảnh hưởng của Nhật quyển có thể sẽ làm giảm bán kính quỹ đạo của Mặt Trăng. Một khi quỹ đạo Mặt Trăng chỉ còn cách Trái Đất 18.470 km (11.480 dặm) và vượt quá giới hạn Roche, tương tác thủy triều sẽ phá hủy Mặt Trăng và biến nó thành một hệ thống vành đai. Sau đó bán kính của vành đai này lại tiếp tục giảm cho đến khi các mảnh vụn va chạm với Trái Đất. Do đó, ngay cả khi Trái Đất không bị Mặt trời nuốt chửng, hành tinh này có thể sống sót mà không có mặt trăng.[96]

Trong một kịch bản khác, Trái Đất bằng cách nào đó sẽ thoát khỏi việc bị Mặt Trời nuốt chửng, nhưng sự bay hơi và bào mòn được nhắc đến ở trên vẫn sẽ lột bỏ cả lớp vỏ lẫn lớp phủ của nó và chỉ để lại phần lõi.[97]

Sau giai đoạn sao khổng lồ đỏ

Sau khi tổng hợp hết heli trong lõi của mình thành cacbon, Mặt Trời sẽ bắt đầu suy sụp và trở thành sao lùn trắng. Những hành tinh còn tồn tại sau quá trình này sẽ tiếp tục quay quanh nó nhưng nhận được ít bức xạ nhiệt hơn và trở thành những vật thể lạnh lẽo. Sau mỗi 30 nghìn tỉ năm, Mặt Trời sẽ lại gần một ngôi sao khác, khiến cho quỹ đạo của các hành tinh quay xung quanh chúng bị nhiễu loạn và thậm chí có khả năng làm chúng văng hoàn toàn ra khỏi hệ hành tinh.[98]

Hiện tại, mặt trăng đang di chuyển khỏi Trái Đất với tốc độ 4 cm (1,5 inch) mỗi năm. Trong 50 tỷ năm nữa, chúng sẽ trở thành một quỹ đạo lớn hơn, ổn định, mỗi mặt chỉ hiển thị một mặt đối diện[99][100][101]. Sau đó, tác động thủy triều của Mặt trời sẽ lấy động lượng góc từ hệ thống, khiến quỹ đạo mặt trăng bị phân rã và vòng quay của Trái Đất tăng tốc[102]. Trong khoảng 65 tỷ năm, người ta ước tính rằng Mặt trăng có thể sẽ va chạm với Trái Đất, do năng lượng còn lại của hệ Mặt trăng Trái Đất bị Mặt trời tàn phá, khiến Mặt trăng từ từ di chuyển về phía Trái Đất[103].

Nếu Trái Đất không bị hủy diệt và không bị nuốt chửng bởi Mặt Trời ở giai đoạn sao khổng lồ đỏ đang mở rộng trong 7,6 tỷ năm tới, thì theo thang thời gian 1019 tỷ (10 triệu) năm, các hành tinh còn lại trong Hệ Mặt trời sẽ bị đẩy ra khỏi hệ thống vì sự nhiễu loạn. Nếu điều này không xảy ra với Trái Đất, số phận cuối cùng của hành tinh sẽ là nó va chạm với Mặt trời ở giai đoạn sao lùn đen do sự phân rã của quỹ đạo của nó thông qua bức xạ hấp dẫn, trong 1020 tỷ 100 triệu năm tới[104].