時間看似無情的流逝總是引起人們對宇宙遙遠未來的興趣和猜測。通常的景象是黯淡的。在五億年後，太陽將膨脹成一顆紅巨星，吞噬掉內太陽系，然後慢慢地黯淡無光。但是，這個時間框架只捕捉到了一小部分——實際上是無限小的一部分——整個未來。正如天文學家展望未來，比如，像幽默作家道格拉斯·亞當斯在1980年的《宇宙盡頭的餐館》中所寫的那樣，“五十七萬六千百萬年”，他們會遇到一個充滿無數緩慢走向湮滅的宇宙。到那時，空間的加速膨脹早已將我們星系之外的一切帶離我們的視野，使夜空變得越來越空曠。拜倫勳爵在他1816年的詩作《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/在永恆的空間中昏暗地遊蕩。”
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。奇異的新生物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來現象將變得司空見慣。如果有什麼不同的話，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。這項努力本身就令人著迷，同時也為新理論提供了一個概念性的試驗場，並提供了一個將抽象思想變得更加具體的契機。所有思想中最抽象的思想之一，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。尋求調和其關於基本粒子和力的不同理論的物理學家預測，只有在數萬億年甚至更長時間之後才會發生的過程，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到他們的恆星和星系演化模型中。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。他們對過去日益增長的瞭解使他們能夠將趨勢推斷到遙遠的未來。
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忘記關掉它
在這個學科的先驅中，有格雷格·勞夫林（Greg Laughlin），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，但忘記標記它在達到宇宙的當前年齡後關閉。該程式任其自行執行，產生了數萬億年的未來預測——結果證明是完全錯誤的，但這足以讓他對這個主題著迷。
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，這些雲包含數十萬到數百萬倍於太陽質量的物質。這種恆星育 Nursery 遍佈銀河系，孕育了數千億顆恆星，最終還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，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，新物質也無法補充恆星鎖住的所有氣體。銀河系內的星際氣體現在只佔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，但在其頂峰時期，即八十億到一百億年前，該速率至少高出10倍。勞夫林估計，恆星形成速率將每增加10倍的時間減少大約10倍，因此在1000億年後，它將減慢到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百分之一左右。
也就是說，令人印象深刻的變化可能會擾亂向恆星默默無聞的穩步邁進。例如，我們銀河系很快——“很快”，指的是在幾十億年後——必須面對即將到來的仙女座星系，它是離我們銀河系最近的巨型螺旋星系。這兩個星系稠密的中心區域要麼會碰撞，要麼開始繞其共同的質心執行。它們的相互作用將產生“銀河仙女座星系”（Milkomeda）。透過攪動和攪拌星際氣體和塵埃，“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。一旦這種增長爆發消退，合併後的系統將非常類似於橢圓星系，這是一個成熟的系統，其恆星形成物質密度較低，因此恆星形成速率也較低。
除了數量減少外，未來恆星還將顯示出其原材料變化的影響。大爆炸的烈焰熔鍊了氫、氦和鋰。所有較重的元素都是由恆星自身創造的，通常是在它們生命的後期——要麼在紅巨星內部，紅巨星隨著年齡的增長會脫落外層，要麼在超新星爆炸期間。紅巨星提供了大多數較輕和較豐富的重元素，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，使後代恆星在生命開始時就擁有更多的這些物質。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不含重元素。未來的幾代恆星將會更加富集，這將改變它們的內部運作和外部外觀。
生命的新居所
新生恆星中重元素丰度的穩步增加產生了兩個明顯的效應。首先，它增加了恆星外層的不透明度。氫和氦幾乎是透明的，但即使是一小撮重元素也會捕獲輻射，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的壽命將比質量相同的缺乏這些元素的恆星更長。但是第二個效應抵消了第一個效應：重元素是核死重。因為它們不參與核聚變，所以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。
勞夫林和他在密歇根大學的同事弗雷德·亞當斯（Fred Adams）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，因為新生恆星中重元素的增加提高了它們的不透明度，從而延長了它們的壽命。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。當新生恆星中重元素的比例達到目前值的四倍左右時，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希望。天文學家已經測量了數百顆木星大小的行星已經被發現的恆星中的元素丰度。他們的結果表明，重元素丰度較高的恆星更有可能有一顆或多顆巨行星圍繞它們執行。“類木行星與[重元素丰度]顯示出明確的相關性，”哈佛大學的行星搜尋專家約翰·約翰遜（John Johnson）說。“由於星際介質正在穩步富集[重元素]，行星出現的可能性可能會增加。”
類地行星呢？來自開普勒太空望遠鏡的最新結果表明，岩石行星非常豐富：幾乎四分之一的類太陽恆星似乎都至少有一顆大小與地球相似的行星，在恆星的宜居帶中執行。然而，母恆星的重元素丰度與它們周圍存在岩石行星的可能性之間似乎不存在相關性。儘管如此，遙遠未來的宇宙應該充滿行星。儘管恆星形成的速率在降低，但可能有一半或三分之二的行星尚未誕生。
起初，行星的增殖似乎對生命不利。遙遠未來的大多數恆星都將比太陽質量更小，亮度更低。幸運的是，即使是低質量、昏暗的恆星也能讓生命蓬勃發展。亮度僅為太陽千分之一的恆星也可以維持允許液體在近距離行星上存在的溫度，這似乎是生物存在的要求。
行星不僅應該普遍變得更加常見，而且還應該富含生命物質。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，每顆新生恆星都應該更有可能點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小光度，這使得它們能夠持續數百或數千億年（並非如此漫長的壽命似乎是生命起源和演化所必需的）。無論今天的宇宙充滿生命還是空無一物，未來都應該充滿更豐富和更多樣化的生命形式。
星球相撞
行星系統將在未來持續如此之久，以至於新的考慮因素將會發揮作用。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，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（Jacques Laskar）和米凱爾·加斯蒂諾（Mickael Gastineau）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一個微小的量——僅僅幾米。他們發現，在未來50億年內，水星撞擊金星的可能性約為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，將會攪動局面，重新配置兩個星系的引力場，並可能引發太陽系的重組。正如勞夫林在回顧拉斯卡爾和加斯蒂諾的模擬時評論的那樣，“現在剩下的就是要理解，如此輕微地觸及我們太陽系的動力學混沌之手在何種程度上塑造了銀河系行星普查。”
恆星行星系內的軌道混沌也將在更大的尺度上發生。緊密結合的雙星、三星和更高多星系統中的恆星在它們相互的引力影響下繞每個系統的質心執行。星團甚至整個星系的情況也大致如此。所有這些結構中的恆星幾乎永遠不會接觸；儘管它們在天文學意義上是鄰居，但它們之間卻隔著廣闊的空間。
然而，隨著時間的推移，“幾乎從不”會逐漸升級為“有時”，最終升級為“幾乎總是”。每個雙星系統最終都會經歷破壞（由於外部引力），或者合併（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，而近距離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（Michael Shara）的文章《當恆星碰撞時》；《大眾科學》，2002年11月]。即使像木星這樣的行星也可能產生類似的效果，儘管規模較小。考慮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，並假設它有一顆類木星行星。如果這顆行星的軌道週期大於幾天，它最終可能會從系統中消失。但如果它在更緊密的軌道上執行，這顆行星最終可能會與恆星合併，貢獻新鮮的氫氣供應，這將暫時大幅提高恆星的能量輸出，產生類新星爆發。在未來，這種恆星爆發將為恆星數量和亮度的緩慢下降增添亮點。即使在萬億年後，天文學家也會在他們宿主星系中不斷減少的恆星數量中觀察到一些奇怪的事件。
活得慢，死得老
即使在過去數千億年甚至數千億年後，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低，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。大質量恆星非常明亮，以至於它們會迅速燃盡自己，並在幾百萬年後爆炸。像我們太陽這樣的中等質量恆星會適度發光，並持續數十億年。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，以至於即使是它們微薄的供應也能在這些漫長的時間跨度內為其核火焰提供燃料。
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，並且隨著其外層完全消散到星際空間，將其核心顯露為一顆白矮星——一種緻密的、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觸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，這種生物幾乎完全由氦組成，幾乎不含氫，只含有少量的其他元素。在今天的宇宙中，當兩顆近距離雙星在點燃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一顆是在恆星演化的正常過程中產生的，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）有一天將首次看到的新現象的一個主要例子。
質量較大的恆星經歷的死亡要戲劇性得多。大質量恆星核的坍塌會形成中子星或黑洞，從而引發衝擊波，將恆星的上覆層炸入太空，形成超新星爆炸。隨著大質量恆星從天空中消失，現在點綴宇宙的大多數此類爆炸也將消失。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，產生於雙星系統中，其中一顆恆星已變成白矮星。根據天文學家最喜歡的模型，在某些恆星對中，來自伴星的富氫物質會積聚在白矮星表面，直到其突然的核聚變產生超新星。只要有足夠大質量的伴星，此類事件就會發生，可能再持續1000億年左右。
在Ia型超新星基本模型的一個變體中，兩顆白矮星在彼此非常靠近的情況下繞其共同的質心執行。當它們這樣做時，它們的軌道運動會導致雙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短暫的、最後的陣發中。此類事件可能會持續數萬億年。
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不同的型別，顯然起源於兩種完全不同的情景。持續時間為兩秒或更長的長GRB被認為發生在大質量恆星核坍塌形成中子星時。持續時間少於兩秒的短GRB被認為是由中子星與另一顆中子星或黑洞合併引起的。在未來的漫長歲月中，長GRB將變得極其罕見，因為大質量恆星將停止形成，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，所有恆星都將燃盡自己，要麼透過爆炸結束生命，要麼萎縮成白矮星。如果不算暗物質（其成分仍然是個謎），那麼我們的星系——以及宇宙中的所有其他星系——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，即使在小於目前太陽到最近恆星的距離的情況下，沒有望遠鏡也無法看到它們。多麼悲傷，多麼墮落，多麼無趣。
然而，在這些死亡或衰落的天體中，大自然偶爾會產生一次巨大的爆發，短暫地提醒人們曾經用數十億顆恆星爐膛的光芒點綴天空的核怒火。如果倖存的恆星有近距離的行星——我們可以預期，它們中的許多或大多數都會有——那麼液態水以及各種形式的生命可能會在它們的表面出現和持續存在。任何可能在這些行星上產生的生命都有可能（在最微弱的恆星周圍已經存在）持續存在於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。如果高度發達的文明存在並持續下去，它們能否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（Freeman Dyson）回顧了情況。他指出，在這種宇宙推測領域中的偉大領袖，“我認為我已經證明，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，即使在大爆炸後不到140億年的今天，幾乎沒有證據表明生物已經在大尺度上影響了宇宙。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支配宇宙資源中越來越大的比例[參見勞倫斯·克勞斯（Lawrence M. Krauss）和格倫·D·斯塔克曼（Glenn D. Starkman）的文章《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。
短暫地束縛在這段旅程中，我們幾乎沒有機會絕對確定實際會發生什麼。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（W. H. Auden）在他1957年的詩歌中，在一個完全不同的背景下寫道：“即使所有星星都消失或死亡/我也應該學會仰望空曠的天空/感受其崇高的完全黑暗/儘管這可能需要我一點時間。”