时间看似无情的流逝总是引起人们对宇宙遥远未来的兴趣和猜测。通常的景象是黯淡的。在五亿年后，太阳将膨胀成一颗红巨星，吞噬掉内太阳系，然后慢慢地黯淡无光。但是，这个时间框架只捕捉到了一小部分——实际上是无限小的一部分——整个未来。正如天文学家展望未来，比如，像幽默作家道格拉斯·亚当斯在1980年的《宇宙尽头的餐馆》中所写的那样，“五十七万六千百万年”，他们会遇到一个充满无数缓慢走向湮灭的宇宙。到那时，空间的加速膨胀早已将我们星系之外的一切带离我们的视野，使夜空变得越来越空旷。拜伦勋爵在他1816年的诗作《黑暗》中捕捉到了这种天体荒原的前景：“明亮的太阳熄灭了，星星/在永恒的空间中昏暗地游荡。”
但这里有个好消息：即将到来的黑暗只捕捉到了一半的故事。恒星形成确实早已度过了它最辉煌的时期，但宇宙仍然充满生机。奇异的新生物将进入天文学家的动物园。现在罕见甚至根本不会发生的外来现象将变得司空见惯。如果有什么不同的话，有利于生命存在的宇宙条件可能会变得更加丰富。
科学末世论——对遥远未来的研究——在宇宙学和物理学中有着悠久的历史。这项努力本身就令人着迷，同时也为新理论提供了一个概念性的试验场，并提供了一个将抽象思想变得更加具体的契机。所有思想中最抽象的思想之一，空间的形状，当宇宙学家描述它对宇宙命运的暗示时，可能会更容易理解。寻求调和其关于基本粒子和力的不同理论的物理学家预测，只有在数万亿年甚至更长时间之后才会发生的过程，例如质子的衰变和黑洞的蒸发。越来越多的天体物理学家也将遥远的未来纳入到他们的恒星和星系演化模型中。在过去的十年中，他们试图重建自大爆炸以来恒星和星系的形成和组成发生变化的方式。他们对过去日益增长的了解使他们能够将趋势推断到遥远的未来。
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忘记关掉它
在这个学科的先驱中，有格雷格·劳夫林（Greg Laughlin），他是加州大学圣克鲁兹分校的恒星形成专家。作为一名研究生，他创建了一个计算机代码来计算极低质量恒星的演化，但忘记标记它在达到宇宙的当前年龄后关闭。该程序任其自行运行，产生了数万亿年的未来预测——结果证明是完全错误的，但这足以让他对这个主题着迷。
要了解恒星的未来，就需要了解它们是如何形成的。恒星诞生于星际气体和尘埃云中，这些云包含数十万到数百万倍于太阳质量的物质。这种恒星育 Nursery 遍布银河系，孕育了数千亿颗恒星，最终还将产生数百亿颗恒星。然而，这种成功消耗了未来：新恒星的原材料正在被耗尽。即使大质量恒星在超新星爆炸中死亡，将一些物质返回星际空间，即使星系也可以从星系际空间吸积新鲜气体，新物质也无法补充恒星锁住的所有气体。银河系内的星际气体现在只占恒星质量的十分之一左右。
今天，银河系中恒星的形成速率接近每年一个太阳质量，但在其顶峰时期，即八十亿到一百亿年前，该速率至少高出10倍。劳夫林估计，恒星形成速率将每增加10倍的时间减少大约10倍，因此在1000亿年后，它将减慢到目前速率的十分之一，而在万亿年后，恒星的形成速率将仅为当前速率的百分之一左右。
也就是说，令人印象深刻的变化可能会扰乱向恒星默默无闻的稳步迈进。例如，我们银河系很快——“很快”，指的是在几十亿年后——必须面对即将到来的仙女座星系，它是离我们银河系最近的巨型螺旋星系。这两个星系稠密的中心区域要么会碰撞，要么开始绕其共同的质心运行。它们的相互作用将产生“银河仙女座星系”（Milkomeda）。通过搅动和搅拌星际气体和尘埃，“银河仙女座星系”的形成将暂时重振恒星形成，产生天文学家所称的星暴。一旦这种增长爆发消退，合并后的系统将非常类似于椭圆星系，这是一个成熟的系统，其恒星形成物质密度较低，因此恒星形成速率也较低。
除了数量减少外，未来恒星还将显示出其原材料变化的影响。大爆炸的烈焰熔炼了氢、氦和锂。所有较重的元素都是由恒星自身创造的，通常是在它们生命的后期——要么在红巨星内部，红巨星随着年龄的增长会脱落外层，要么在超新星爆炸期间。红巨星提供了大多数较轻和较丰富的重元素，如碳、氮和氧，而超新星则产生更广泛的元素，一直到铀。所有这些都混合到现有的星际气体元素混合物中，使后代恒星在生命开始时就拥有更多的这些物质。太阳，一颗相对年轻的恒星，只有五十亿年的历史，其重元素丰度是100多亿年前形成的恒星的100倍；事实上，一些最古老的恒星几乎不含重元素。未来的几代恒星将会更加富集，这将改变它们的内部运作和外部外观。
生命的新居所
新生恒星中重元素丰度的稳步增加产生了两个明显的效应。首先，它增加了恒星外层的不透明度。氢和氦几乎是透明的，但即使是一小撮重元素也会捕获辐射，降低恒星的光度。恒星内部的力平衡发生了变化，因为较低的光度意味着恒星以较低的速率消耗其核燃料。如果只有这种效应在起作用，那么富含重元素的恒星的寿命将比质量相同的缺乏这些元素的恒星更长。但是第二个效应抵消了第一个效应：重元素是核死重。因为它们不参与核聚变，所以它们减少了给定质量的恒星内部可用的核燃料量，并倾向于缩短其寿命。
劳夫林和他在密歇根大学的同事弗雷德·亚当斯（Fred Adams）在1997年对这两种效应进行了初步研究。他们发现，在未来的一万亿年左右，第一种效应将占主导地位，因为新生恒星中重元素的增加提高了它们的不透明度，从而延长了它们的寿命。然而，最终，重元素将构成恒星质量的很大一部分，并将开始缩短它们的寿命。当新生恒星中重元素的比例达到目前值的四倍左右时，就会出现交叉点。
额外的重元素也应该有利于行星以及恒星的诞生，从而有利于宇宙中生命的希望。天文学家已经测量了数百颗木星大小的行星已经被发现的恒星中的元素丰度。他们的结果表明，重元素丰度较高的恒星更有可能有一颗或多颗巨行星围绕它们运行。“类木行星与[重元素丰度]显示出明确的相关性，”哈佛大学的行星搜寻专家约翰·约翰逊（John Johnson）说。“由于星际介质正在稳步富集[重元素]，行星出现的可能性可能会增加。”
类地行星呢？来自开普勒太空望远镜的最新结果表明，岩石行星非常丰富：几乎四分之一的类太阳恒星似乎都至少有一颗大小与地球相似的行星，在恒星的宜居带中运行。然而，母恒星的重元素丰度与它们周围存在岩石行星的可能性之间似乎不存在相关性。尽管如此，遥远未来的宇宙应该充满行星。尽管恒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诞生。
起初，行星的增殖似乎对生命不利。遥远未来的大多数恒星都将比太阳质量更小，亮度更低。幸运的是，即使是低质量、昏暗的恒星也能让生命蓬勃发展。亮度仅为太阳千分之一的恒星也可以维持允许液体在近距离行星上存在的温度，这似乎是生物存在的要求。
行星不仅应该普遍变得更加常见，而且还应该富含生命物质。除了需要液态浴之外，地球上的生命，以及科学家推测的几乎所有其他生命形式，都依赖于碳、氮和氧的存在。随着时间的推移，这些元素的相对丰度不断增加，应该会产生更适合生命居住的行星。因此，随着恒星形成的稳步减少，每颗新生恒星都应该更有可能点亮一颗或多颗潜在的生命行星。其中一些新恒星将具有低质量和微小光度，这使得它们能够持续数百或数千亿年（并非如此漫长的寿命似乎是生命起源和演化所必需的）。无论今天的宇宙充满生命还是空无一物，未来都应该充满更丰富和更多样化的生命形式。
星球相撞
行星系统将在未来持续如此之久，以至于新的考虑因素将会发挥作用。我们理所当然地认为太阳系是稳定的；没有人担心地球的轨道很快就会变得混乱，导致我们与金星相撞。当我们展望数十亿年的时间尺度时，这种信心就会消失。2009年，巴黎天文台的雅克·拉斯卡尔（Jacques Laskar）和米凯尔·加斯蒂诺（Mickael Gastineau）对太阳系四颗内行星的未来轨道进行了数千次计算机模拟，在每次模拟之间将行星的初始位置改变了一个微小的量——仅仅几米。他们发现，在未来50亿年内，水星撞击金星的可能性约为1%，这为可能涉及地球的更可怕的碰撞奠定了基础。在万亿年的时间里，这种碰撞将变得非常可能。
当仙女座星系与银河系合并时，将会搅动局面，重新配置两个星系的引力场，并可能引发太阳系的重组。正如劳夫林在回顾拉斯卡尔和加斯蒂诺的模拟时评论的那样，“现在剩下的就是要理解，如此轻微地触及我们太阳系的动力学混沌之手在何种程度上塑造了银河系行星普查。”
恒星行星系内的轨道混沌也将在更大的尺度上发生。紧密结合的双星、三星和更高多星系统中的恒星在它们相互的引力影响下绕每个系统的质心运行。星团甚至整个星系的情况也大致如此。所有这些结构中的恒星几乎永远不会接触；尽管它们在天文学意义上是邻居，但它们之间却隔着广阔的空间。
然而，随着时间的推移，“几乎从不”会逐渐升级为“有时”，最终升级为“几乎总是”。每个双星系统最终都会经历破坏（由于外部引力），或者合并（如果两颗恒星的轨道非常接近，以至于引力辐射会消耗系统的能量）。自然而然地，距离较远的双星系统面临前一种命运，而近距离双星系统则面临后一种命运。
当两颗恒星合并时，它们可能会暂时产生一颗质量更大、亮度更高的恒星[参见迈克尔·沙拉（Michael Shara）的文章《当恒星碰撞时》；《大众科学》，2002年11月]。即使像木星这样的行星也可能产生类似的效果，尽管规模较小。考虑一颗质量只有太阳十分之一、寿命接近一万亿年的普通恒星，并假设它有一颗类木星行星。如果这颗行星的轨道周期大于几天，它最终可能会从系统中消失。但如果它在更紧密的轨道上运行，这颗行星最终可能会与恒星合并，贡献新鲜的氢气供应，这将暂时大幅提高恒星的能量输出，产生类新星爆发。在未来，这种恒星爆发将为恒星数量和亮度的缓慢下降增添亮点。即使在万亿年后，天文学家也会在他们宿主星系中不断减少的恒星数量中观察到一些奇怪的事件。
活得慢，死得老
即使在过去数千亿年甚至数千亿年后，即使恒星形成已经减缓到涓涓细流，仍然会有大量的恒星继续发光。宇宙中大多数恒星的质量都很低，寿命极长。恒星的寿命以惊人的反比方式取决于它们的质量。大质量恒星非常明亮，以至于它们会迅速燃尽自己，并在几百万年后爆炸。像我们太阳这样的中等质量恒星会适度发光，并持续数十亿年。质量明显小于太阳的恒星可以持续数千亿年甚至更长时间。这些恒星消耗燃料的速度非常缓慢，以至于即使是它们微薄的供应也能在这些漫长的时间跨度内为其核火焰提供燃料。
不同质量的恒星以不同的方式死亡。太阳将变成一颗红巨星，并且随着其外层完全消散到星际空间，将其核心显露为一颗白矮星——一种致密的、地球大小的恒星尸体，几乎完全由碳核和电子组成。但是，在质量小于太阳质量约50%的恒星中，核心温度永远不会升高到足以触发导致红巨星阶段的核反应。相反，天文学家认为这些恒星最终会变成氦白矮星。顾名思义，这种生物几乎完全由氦组成，几乎不含氢，只含有少量的其他元素。在今天的宇宙中，当两颗近距离双星在点燃氦核之前剥离彼此的外层时，它们偶尔会诞生，但天文学家尚未发现任何一颗是在恒星演化的正常过程中产生的，因为自大爆炸以来还没有足够的时间过去。孤立的氦矮星是我们遥远的后代（愿他们生活在和平之中）有一天将首次看到的新现象的一个主要例子。
质量较大的恒星经历的死亡要戏剧性得多。大质量恒星核的坍塌会形成中子星或黑洞，从而引发冲击波，将恒星的上覆层炸入太空，形成超新星爆炸。随着大质量恒星从天空中消失，现在点缀宇宙的大多数此类爆炸也将消失。但是，第二种超新星仍然会偶尔照亮天空。这类超新星被称为Ia型超新星，产生于双星系统中，其中一颗恒星已变成白矮星。根据天文学家最喜欢的模型，在某些恒星对中，来自伴星的富氢物质会积聚在白矮星表面，直到其突然的核聚变产生超新星。只要有足够大质量的伴星，此类事件就会发生，可能再持续1000亿年左右。
在Ia型超新星基本模型的一个变体中，两颗白矮星在彼此非常靠近的情况下绕其共同的质心运行。当它们这样做时，它们的轨道运动会导致双星系统发出引力辐射。这种辐射会夺走系统的能量并缩小白矮星轨道的尺寸。白矮星的接近速度越来越快，直到它们的死亡螺旋将它们融合在短暂的、最后的阵发中。此类事件可能会持续数万亿年。
比超新星爆炸更明亮的是伽马射线暴（GRB）。这些超级爆炸分为两种不同的类型，显然起源于两种完全不同的情景。持续时间为两秒或更长的长GRB被认为发生在大质量恒星核坍塌形成中子星时。持续时间少于两秒的短GRB被认为是由中子星与另一颗中子星或黑洞合并引起的。在未来的漫长岁月中，长GRB将变得极其罕见，因为大质量恒星将停止形成，但短GRB可能会在数万亿年内点缀天空。
万亿又万亿
当我们用万亿年而不是数十亿年来衡量宇宙时间时，我们进入了一个恒星形成将结束的时代。除了质量最小的恒星外，所有恒星都将燃尽自己，要么通过爆炸结束生命，要么萎缩成白矮星。如果不算暗物质（其成分仍然是个谜），那么我们的星系——以及宇宙中的所有其他星系——将主要由黑洞、中子星、白矮星和极其微弱的红矮星组成，这些红矮星非常暗淡，即使在小于目前太阳到最近恒星的距离的情况下，没有望远镜也无法看到它们。多么悲伤，多么堕落，多么无趣。
然而，在这些死亡或衰落的天体中，大自然偶尔会产生一次巨大的爆发，短暂地提醒人们曾经用数十亿颗恒星炉膛的光芒点缀天空的核怒火。如果幸存的恒星有近距离的行星——我们可以预期，它们中的许多或大多数都会有——那么液态水以及各种形式的生命可能会在它们的表面出现和持续存在。任何可能在这些行星上产生的生命都有可能（在最微弱的恒星周围已经存在）持续存在于超出轻松想象的时代，前提是它们能够避免被附近的超新星或GRB炸成永恒。
对遥远未来的这种调查留下了一个重大且不确定的问题。如果高度发达的文明存在并持续下去，它们能否改变宇宙历史的进程？30多年前，普林斯顿高等研究院的弗里曼·戴森（Freeman Dyson）回顾了情况。他指出，在这种宇宙推测领域中的伟大领袖，“我认为我已经证明，有充分的科学理由认真对待生命和智能有可能成功地将我们这个宇宙塑造成它们自己的目的的可能性。”在我们目前的时代，即使在大爆炸后不到140亿年的今天，几乎没有证据表明生物已经在大尺度上影响了宇宙。但是时间的列车才刚刚离开车站。在未来，生命的生存将需要它支配宇宙资源中越来越大的比例[参见劳伦斯·克劳斯（Lawrence M. Krauss）和格伦·D·斯塔克曼（Glenn D. Starkman）的文章《宇宙中生命的命运》；《大众科学》，1999年11月]。整个宇宙都将成为我们的花园。
短暂地束缚在这段旅程中，我们几乎没有机会绝对确定实际会发生什么。我们不受约束的思想仍然可以自由地漫游到我们选择的未来。正如W·H·奥登（W. H. Auden）在他1957年的诗歌中，在一个完全不同的背景下写道：“即使所有星星都消失或死亡/我也应该学会仰望空旷的天空/感受其崇高的完全黑暗/尽管这可能需要我一点时间。”