時間看似無情的流逝總是引發人們對宇宙遙遠未來的興趣和猜測。通常的景象是黯淡的。在未來的五十億年裡，太陽將膨脹成一顆紅巨星，吞噬掉內太陽系，然後慢慢地黯淡熄滅。但是，這個時間框架僅僅捕捉到了整個未來的一小部分——實際上是無窮小的一部分。當天文學家展望未來，比如，像幽默作家道格拉斯·亞當斯在《宇宙盡頭的餐館》中所做的那樣，“五十七萬六千億年”，他們會看到一個宇宙充滿了無數緩慢走向湮滅的景象。到那時，空間的加速膨脹將已經把我們星系之外的一切都帶離了我們的視野，讓夜空變得越來越空曠。拜倫勳爵在他 1816 年的詩歌《黑暗》中捕捉到了這種天體荒原的前景：“明亮的太陽熄滅了，星星/在永恆的宇宙中黑暗地遊蕩。”
但這裡有個好訊息：即將到來的黑暗只捕捉到了一半的故事。恆星形成確實早已度過了它最輝煌的時期，但宇宙仍然充滿生機。奇怪的新“野獸”將進入天文學家的動物園。現在罕見甚至根本不會發生的外星現象將變得司空見慣。如果有什麼變化的話，有利於生命存在的宇宙條件可能會變得更加豐富。
科學末世論——對遙遠未來的研究——在宇宙學和物理學中有著悠久的歷史。這項努力本身就引人入勝，同時也為新理論提供了一個概念性的試驗場，並提供了一個使抽象概念更加具體化的機會。所有抽象概念中最抽象的概念之一，空間的形狀，當宇宙學家描述它對宇宙命運的暗示時，可能會更容易理解。尋求調和他們關於基本粒子和力的不同理論的物理學家預測，一些過程只會在數萬億年甚至更長時間後才會發生，例如質子的衰變和黑洞的蒸發。越來越多的天體物理學家也將遙遠的未來納入他們關於恆星和星系演化的模型中。在過去的十年中，他們試圖重建自大爆炸以來恆星和星系的形成和組成發生變化的方式。他們不斷增長的對過去的瞭解使他們能夠將趨勢推斷到遙遠的未來。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
忘記關掉它
格雷格·勞夫林是該主題的先驅之一，他是加州大學聖克魯茲分校的恆星形成專家。作為一名研究生，他建立了一個計算機程式碼來計算極低質量恆星的演化，並且忘記標記它以便在達到宇宙的當前年齡後關閉。該程式自行執行並不斷執行，產生了數萬億年的未來預測——結果證明完全錯誤，但足以讓他沉迷於這個主題。
要了解恆星的未來，就需要了解它們是如何形成的。恆星誕生於星際氣體和塵埃雲中，這些雲的質量是太陽質量的數十萬到數百萬倍。這種恆星育兒所遍佈銀河系，孕育了銀河系的數千億顆恆星，最終將產生數百億顆恆星。然而，這種成功消耗了未來：新恆星的原材料正在被耗盡。即使大質量恆星在超新星爆炸中死亡，並將一些物質返回星際空間，即使星系也可以從星系際空間吸積新鮮氣體，但新物質也無法補充恆星鎖定的所有氣體。我們星系內的星際氣體總量現在僅為恆星質量的十分之一左右。
今天，銀河系中恆星的形成速率接近每年一個太陽質量，但在其高峰期，即 80 億至 100 億年前，該速率至少高出 10 倍。勞夫林估計，恆星形成速度將隨著時間的推移每增加 10 倍而降低約 10 倍，因此在 1000 億年後，它將減慢至目前速率的十分之一，而在萬億年後，恆星的形成速率將僅為當前速率的約百分之一。
話雖如此，令人印象深刻的變化可能會擾亂走向恆星默默無聞的穩定步伐。例如，我們銀河系很快——“很快”，指的是在幾十億年內——將面臨迎面而來的仙女座星系，它是離我們銀河系最近的巨型旋渦星系。這兩個星系稠密的中心區域要麼會碰撞，要麼會開始繞其共同的質量中心執行。它們的相互作用將產生“銀河仙女座星系”（Milkomeda）。透過攪動星際氣體和塵埃，銀河仙女座星系的形成將暫時重振恆星形成，產生天文學家所稱的星暴。一旦這種增長高峰消退，合併後的系統將非常類似於橢圓星系，這是一個星際物質密度低、恆星形成速率也因此較低的成熟系統。
除了數量減少之外，未來恆星還將顯示出其原材料發生變化的影響。大爆炸的熾熱熔爐鍛造了氫、氦和鋰。所有較重的元素都是由恆星自身產生的，通常是在它們的晚年——要麼在紅巨星內部（它們在老化過程中會脫落外層），要麼在超新星爆炸期間。紅巨星提供了大部分較輕且更豐富的重元素，例如碳、氮和氧，而超新星則產生更廣泛的元素，一直到鈾。所有這些都混合到現有的星際氣體元素混合物中，使後代恆星能夠以更多的這些材料開始生命。太陽，一顆相對年輕的恆星，只有五十億年的歷史，其重元素丰度是 100 多億年前形成的恆星的 100 倍；事實上，一些最古老的恆星幾乎根本不含重元素。未來的恆星世代將更加富集，這將改變它們的內部運作和外觀。
生命的新居所
新生恆星內重元素丰度的穩步增加產生了兩個顯著的效果。首先，它增加了恆星外層的不透明度。氫和氦幾乎是透明的，但即使少量的重元素也會捕獲輻射，從而降低恆星的光度。恆星內部的力平衡發生了變化，因為較低的光度意味著恆星以較低的速率消耗其核燃料。如果只有這種效應在起作用，那麼富含重元素的恆星將比質量相同但缺乏這些元素的恆星壽命更長。但是第二個效應抵消了第一個效應：重元素是核累贅。由於它們不參與核聚變，因此它們減少了給定質量的恆星內部可用的核燃料量，並傾向於縮短其壽命。
勞夫林和他的密歇根大學同事弗雷德·亞當斯在 1997 年對這兩種效應進行了初步研究。他們發現，在未來的一萬億年左右，第一種效應將佔主導地位，因為新恆星內重元素的增加會提高它們的不透明度，從而延長它們的壽命。然而，最終，重元素將構成恆星質量的很大一部分，並將開始縮短它們的壽命。當新生恆星內的重元素比例達到當前值的四倍左右時，就會出現交叉點。
額外的重元素也應該有利於行星以及恆星的誕生，從而有利於宇宙中生命的前景。天文學家已經測量了恆星周圍的元素丰度，在這些恆星周圍，已經發現了 700 多顆（並且還在增加）類似木星的行星。他們的結果表明，重元素丰度較高的恆星更有可能在其周圍軌道上擁有一顆或多顆巨行星。“類木行星與[重元素丰度]呈明顯的正相關，”加州理工學院的行星搜尋專家約翰·約翰遜說。“由於星際介質中的[重元素]含量正在穩步增加，行星的出現機率可能會增加。”
類地行星呢？儘管基於太空的望遠鏡現在才開始為較小的世界提供類似的資料，但它們的形成也應該與它們恆星的重元素丰度相關，甚至更相關，因為類地行星幾乎完全由較重的元素組成。簡而言之，遙遠未來的宇宙應該充滿行星。儘管恆星形成的速率正在下降，但可能有一半或三分之二的未來行星尚未誕生。
起初，行星的增殖似乎對生命不利。遙遠未來的大多數恆星的質量和亮度都將遠低於太陽。幸運的是，即使是低質量、昏暗的恆星也可以讓生命蓬勃發展。即使是光度只有太陽千分之一的恆星，也可以在近距離行星上維持允許液體存在的溫度，這似乎是生物存在的必要條件。
行星不僅應該普遍變得更常見，而且還應該富含生命的物質。除了需要液態浴之外，地球上的生命，以及科學家推測的幾乎所有其他生命形式，都依賴於碳、氮和氧的存在。隨著時間的推移，這些元素的相對丰度不斷增加，應該會產生更適合生命居住的行星。因此，隨著恆星形成的穩步減少，每一顆新生恆星都應該以越來越高的機率照亮一顆或多顆潛在的生命行星。其中一些新恆星將具有低質量和微弱的光度，這使得它們可以持續數百或數千億年（並非這些漫長的壽命對於生命的起源和進化來說是必要的）。無論今天的宇宙是否充滿生命，未來它都應該充滿更豐富、更多樣化的生命形式。
星球碰撞
行星系統將持續到遙遠的未來，以至於新的考慮因素將發揮作用。我們理所當然地認為太陽系是穩定的；沒有人擔心地球的軌道很快就會變得混亂並導致我們與金星相撞。當我們展望數十億年的時間尺度時，這種信心就會消失。2009 年，巴黎天文臺的雅克·拉斯卡爾和米凱爾·加斯蒂諾對太陽系四顆內行星的未來軌道進行了數千次計算機模擬，在每次模擬之間將行星的初始位置改變了極小的量——僅幾米。他們發現，在未來 50 億年內，水星撞擊金星的機率約為 1%，這為可能涉及地球的更可怕的碰撞奠定了基礎。在萬億年的時間裡，這種碰撞將變得非常可能。
當仙女座星系與銀河系合併時，情況將會發生變化，這一事件將重新配置兩個星系的引力場，並很可能引發太陽系的全面重組。正如勞夫林在回顧拉斯卡爾和加斯蒂諾的模擬時評論道，“現在剩下的就是要理解動力學混沌之手對我們太陽系的行星普查的塑造程度，這種混沌之手如此輕微地觸及了我們的太陽系。”
恆星行星家族內部的軌道混沌也將發生在更大的尺度上。在緊密結合的雙星、三星和更多重星系統中，恆星在彼此的引力影響下繞每個系統的質量中心執行。星團甚至整個星系的情況也是如此。所有這些結構中的恆星幾乎從不接觸；儘管它們在天文學上是鄰居，但巨大的空間將它們隔開。
然而，隨著時間的推移，“幾乎從不”會逐漸增加到“有時”，最終增加到“幾乎總是”。每個雙星系統最終都會經歷瓦解（由於外部引力的影響）或合併（如果兩顆恆星的軌道非常接近，以至於引力輻射會消耗系統的能量）。自然而然地，距離較遠的雙星系統面臨前一種命運，而距離較近的雙星系統則面臨後一種命運。
當兩顆恆星合併時，它們可能會暫時產生一顆質量更大、亮度更高的恆星[參見邁克爾·沙拉的《當恆星碰撞時》；《大眾科學》，2002 年 11 月]。即使是像木星這樣的行星也可能產生類似的效果，儘管規模較小。以一顆質量只有太陽十分之一、壽命接近一萬億年的普通恆星為例，假設它有一顆類似木星的行星。如果行星的軌道週期大於幾天，它最終可能會從系統中丟失。但如果它在更緊密的軌道上執行，行星最終可能會與恆星合併，提供新鮮的氫氣供應，這將暫時顯著提高恆星的能量輸出，產生類似新星的爆發。在未來，這種恆星爆發將為恆星數量和亮度緩慢下降的過程增添亮點。即使在萬億年後的天文學家也會在他們宿主星系中數量不斷減少的恆星中觀察到一些奇怪的事件。
活得慢，死得老
即使在數千億年甚至數千億年過去之後，即使恆星形成已經減緩到涓涓細流，仍然會有大量的恆星繼續發光。宇宙中大多數恆星的質量都很小，壽命極長。恆星的壽命以驚人的反比方式取決於它們的質量。大質量恆星的光度非常高，以至於它們會迅速燃燒殆盡，並在幾百萬年後爆炸。像太陽這樣的中等質量恆星的光度適中，可以持續數十億年。質量明顯小於太陽的恆星可以持續數千億年甚至更長時間。這些恆星消耗燃料的速度非常緩慢，即使它們微薄的供應也能在這些漫長的時間裡維持它們的核火。
不同質量的恆星以不同的方式死亡。太陽將變成一顆紅巨星，並且隨著它的外層完全消散到星際空間，它的核心將顯露為一顆白矮星——一顆緻密的、地球大小的恆星屍體，幾乎完全由碳核和電子組成。但是在質量小於太陽質量約 50% 的恆星中，核心溫度永遠不會升高到足以引發導致紅巨星階段的核反應。相反，天文學家認為這些恆星最終會變成氦白矮星。顧名思義，這種“野獸”幾乎完全由氦組成，幾乎不含氫，只含有少量的其他元素。在今天的宇宙中，當兩顆靠近的聯星在點燃它們的氦核之前剝離彼此的外層時，它們偶爾會誕生，但天文學家尚未發現任何在正常恆星演化過程中產生的氦白矮星，因為自大爆炸以來還沒有足夠的時間過去。孤立的氦矮星是我們遙遠的後代（願他們生活在和平之中）有一天會首次看到的全新現象的一個主要例子。
質量較大的恆星會經歷更加劇烈的死亡。大質量恆星核心的坍縮會形成中子星或黑洞，從而引發衝擊波，將恆星的上覆層以超新星爆炸的形式炸入太空。隨著大質量恆星從天空中消失，現在點綴宇宙的大部分爆炸也將消失。但是，第二種超新星仍然會偶爾照亮天空。這類超新星被稱為 Ia 型超新星，起源於聯星系統，其中一顆恆星已成為白矮星。根據天文學家最喜歡的模型，在這些聯星對中，來自伴星的富氫物質會在白矮星表面積聚，直到其突然的核聚變產生超新星。只要存在足夠大的伴星，這種事件就會繼續發生，可能還會持續約 1000 億年。
在另一種超新星模型中，這種模型越來越受歡迎，兩顆白矮星在它們的共同質量中心附近軌道上執行。當它們這樣做時，它們的軌道運動會導致聯星系統發出引力輻射。這種輻射會奪走系統的能量並縮小白矮星軌道的尺寸。白矮星的接近速度越來越快，直到它們的死亡螺旋將它們融合在一起，形成短暫的、最後的陣發性爆發。這種事件可能會持續發生數萬億年。
比超新星爆炸更明亮的是伽馬射線暴 (GRB)。這些超級爆炸分為兩種截然不同的型別，顯然起源於兩種完全不同的情景。長 GRB，即那些高能輻射爆發持續兩秒或更長時間的 GRB，被認為發生在大質量恆星的核心坍縮形成中子星時。短 GRB，即那些爆發持續時間不到兩秒的 GRB，被認為是由中子星與另一顆中子星或黑洞合併造成的。在未來的漫長歲月中，長 GRB 將變得極其罕見，因為大質量恆星不再形成，但短 GRB 可能會在數萬億年內點綴天空。
萬億又萬億
當我們用萬億年而不是數十億年來衡量宇宙時間時，我們進入了一個恆星形成將結束的時代。除了質量最小的恆星外，所有恆星都將燃燒殆盡，以爆炸或萎縮成白矮星的方式結束它們的生命。如果不算暗物質（其成分仍然是個謎），那麼我們的星系——以及宇宙中所有其他星系——屆時將主要由黑洞、中子星、白矮星和極其微弱的紅矮星組成，這些紅矮星非常暗淡，即使在小於當前太陽到最近恆星的距離處，也無法用望遠鏡看到它們。多麼悲哀，多麼墮落，多麼無趣。
然而，在這些死亡或衰落的天體中，大自然偶爾會產生巨大的爆發，短暫地提醒人們曾經用數十億恆星熔爐的光芒點綴天空的核怒火。如果倖存的恆星附近有行星——我們可以預期許多或大多數恆星都會有行星——那麼液態水以及各種生命形式可能會在其表面出現和持續存在。任何可能在這些行星上出現的生命都可能（已經存在於最微弱的恆星周圍）持續存在到超出輕鬆想象的時代，前提是它們能夠避免被附近的超新星或 GRB 炸成永恆。
對遙遠未來的這種調查留下了一個重大且不確定的問題。高度發達的文明，如果它們存在並持續存在，是否會改變宇宙歷史的程序？30 多年前，普林斯頓高等研究院的弗里曼·戴森回顧了這種情況。他指出，在這種宇宙推測領域中的偉大領袖，“我想我已經表明，有充分的科學理由認真對待生命和智慧有可能成功地將我們這個宇宙塑造成它們自己的目的的可能性。”在我們目前的時代，即大爆炸後不到 140 億年的時代，幾乎沒有證據表明生物已經大規模地影響了宇宙。但是時間的列車才剛剛離開車站。在未來，生命的生存將需要它徵用宇宙資源中越來越大的份額[參見勞倫斯·M·克勞斯和格倫·D·斯塔克曼的《宇宙中生命的命運》；《大眾科學》，1999 年 11 月]。整個宇宙都將成為我們的花園。
我們註定要在這段旅程中度過短暫的時光，我們幾乎沒有機會獲得關於實際將發生的事情的絕對確定性。我們不受約束的思想仍然可以自由地漫遊到我們選擇的未來。正如 W. H. 奧登在他 1957 年的詩歌中，在完全不同的背景下寫道：“即使所有星星都消失或死去/我也應該學會仰望空曠的天空/感受其崇高的完全黑暗/即使這可能需要我一點時間。”
本文最初以“恆星的遙遠未來”為標題在印刷版上發表。