时间看似无情的流逝总是引发人们对宇宙遥远未来的兴趣和猜测。通常的景象是黯淡的。在未来的五十亿年里，太阳将膨胀成一颗红巨星，吞噬掉内太阳系，然后慢慢地黯淡熄灭。但是，这个时间框架仅仅捕捉到了整个未来的一小部分——实际上是无穷小的一部分。当天文学家展望未来，比如，像幽默作家道格拉斯·亚当斯在《宇宙尽头的餐馆》中所做的那样，“五十七万六千亿年”，他们会看到一个宇宙充满了无数缓慢走向湮灭的景象。到那时，空间的加速膨胀将已经把我们星系之外的一切都带离了我们的视野，让夜空变得越来越空旷。拜伦勋爵在他 1816 年的诗歌《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/在永恒的宇宙中黑暗地游荡。”
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。奇怪的新“野兽”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星现象将变得司空见惯。如果有什么变化的话，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。这项努力本身就引人入胜，同时也为新理论提供了一个概念性的试验场，并提供了一个使抽象概念更加具体化的机会。所有抽象概念中最抽象的概念之一，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。寻求调和他们关于基本粒子和力的不同理论的物理学家预测，一些过程只会在数万亿年甚至更长时间后才会发生，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他们关于恒星和星系演化的模型中。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。他们不断增长的对过去的了解使他们能够将趋势推断到遥远的未来。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
忘记关掉它
格雷格·劳夫林是该主题的先驱之一，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，并且忘记标记它以便在达到宇宙的当前年龄后关闭。该程序自行运行并不断运行，产生了数万亿年的未来预测——结果证明完全错误，但足以让他沉迷于这个主题。
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，这些云的质量是太阳质量的数十万到数百万倍。这种恒星育儿所遍布银河系，孕育了银河系的数千亿颗恒星，最终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，并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，但新物质也无法补充恒星锁定的所有气体。我们星系内的星际气体总量现在仅为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，但在其高峰期，即 80 亿至 100 亿年前，该速率至少高出 10 倍。劳夫林估计，恒星形成速度将随着时间的推移每增加 10 倍而降低约 10 倍，因此在 1000 亿年后，它将减慢至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约百分之一。
话虽如此，令人印象深刻的变化可能会扰乱走向恒星默默无闻的稳定步伐。例如，我们银河系很快——“很快”，指的是在几十亿年内——将面临迎面而来的仙女座星系，它是离我们银河系最近的巨型旋涡星系。这两个星系稠密的中心区域要么会碰撞，要么会开始绕其共同的质量中心运行。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。一旦这种增长高峰消退，合并后的系统将非常类似于椭圆星系，这是一个星际物质密度低、恒星形成速率也因此较低的成熟系统。
除了数量减少之外，未来恒星还将显示出其原材料发生变化的影响。大爆炸的炽热熔炉锻造了氢、氦和锂。所有较重的元素都是由恒星自身产生的，通常是在它们的晚年——要么在红巨星内部（它们在老化过程中会脱落外层），要么在超新星爆炸期间。红巨星提供了大部分较轻且更丰富的重元素，例如碳、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，使后代恒星能够以更多的这些材料开始生命。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根本不含重元素。未来的恒星世代将更加富集，这将改变它们的内部运作和外观。
生命的新居所
新生恒星内重元素丰度的稳步增加产生了两个显着的效果。首先，它增加了恒星外层的不透明度。氢和氦几乎是透明的，但即使少量的重元素也会捕获辐射，从而降低恒星的光度。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将比质量相同但缺乏这些元素的恒星寿命更长。但是第二个效应抵消了第一个效应：重元素是核累赘。由于它们不参与核聚变，因此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。
劳夫林和他的密歇根大学同事弗雷德·亚当斯在 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，因为新恒星内重元素的增加会提高它们的不透明度，从而延长它们的寿命。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。当新生恒星内的重元素比例达到当前值的四倍左右时，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前景。天文学家已经测量了恒星周围的元素丰度，在这些恒星周围，已经发现了 700 多颗（并且还在增加）类似木星的行星。他们的结果表明，重元素丰度较高的恒星更有可能在其周围轨道上拥有一颗或多颗巨行星。“类木行星与[重元素丰度]呈明显的正相关，”加州理工学院的行星搜寻专家约翰·约翰逊说。“由于星际介质中的[重元素]含量正在稳步增加，行星的出现概率可能会增加。”
类地行星呢？尽管基于太空的望远镜现在才开始为较小的世界提供类似的数据，但它们的形成也应该与它们恒星的重元素丰度相关，甚至更相关，因为类地行星几乎完全由较重的元素组成。简而言之，遥远未来的宇宙应该充满行星。尽管恒星形成的速率正在下降，但可能有一半或三分之二的未来行星尚未诞生。
起初，行星的增殖似乎对生命不利。遥远未来的大多数恒星的质量和亮度都将远低于太阳。幸运的是，即使是低质量、昏暗的恒星也可以让生命蓬勃发展。即使是光度只有太阳千分之一的恒星，也可以在近距离行星上维持允许液体存在的温度，这似乎是生物存在的必要条件。
行星不仅应该普遍变得更常见，而且还应该富含生命的物质。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，每一颗新生恒星都应该以越来越高的概率照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弱的光度，这使得它们可以持续数百或数千亿年（并非这些漫长的寿命对于生命的起源和进化来说是必要的）。无论今天的宇宙是否充满生命，未来它都应该充满更丰富、更多样化的生命形式。
星球碰撞
行星系统将持续到遥远的未来，以至于新的考虑因素将发挥作用。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并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·拉斯卡尔和米凯尔·加斯蒂诺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极小的量——仅几米。他们发现，在未来 50 亿年内，水星撞击金星的概率约为 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，情况将会发生变化，这一事件将重新配置两个星系的引力场，并很可能引发太阳系的全面重组。正如劳夫林在回顾拉斯卡尔和加斯蒂诺的模拟时评论道，“现在剩下的就是要理解动力学混沌之手对我们太阳系的行星普查的塑造程度，这种混沌之手如此轻微地触及了我们的太阳系。”
恒星行星家族内部的轨道混沌也将发生在更大的尺度上。在紧密结合的双星、三星和更多重星系统中，恒星在彼此的引力影响下绕每个系统的质量中心运行。星团甚至整个星系的情况也是如此。所有这些结构中的恒星几乎从不接触；尽管它们在天文学上是邻居，但巨大的空间将它们隔开。
然而，随着时间的推移，“几乎从不”会逐渐增加到“有时”，最终增加到“几乎总是”。每个双星系统最终都会经历瓦解（由于外部引力的影响）或合并（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，而距离较近的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·沙拉的《当恒星碰撞时》；《大众科学》，2002 年 11 月]。即使是像木星这样的行星也可能产生类似的效果，尽管规模较小。以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为例，假设它有一颗类似木星的行星。如果行星的轨道周期大于几天，它最终可能会从系统中丢失。但如果它在更紧密的轨道上运行，行星最终可能会与恒星合并，提供新鲜的氢气供应，这将暂时显着提高恒星的能量输出，产生类似新星的爆发。在未来，这种恒星爆发将为恒星数量和亮度缓慢下降的过程增添亮点。即使在万亿年后的天文学家也会在他们宿主星系中数量不断减少的恒星中观察到一些奇怪的事件。
活得慢，死得老
即使在数千亿年甚至数千亿年过去之后，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小，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。大质量恒星的光度非常高，以至于它们会迅速燃烧殆尽，并在几百万年后爆炸。像太阳这样的中等质量恒星的光度适中，可以持续数十亿年。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，即使它们微薄的供应也能在这些漫长的时间里维持它们的核火。
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，并且随着它的外层完全消散到星际空间，它的核心将显露为一颗白矮星——一颗致密的、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引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“野兽”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，当两颗靠近的联星在点燃它们的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在正常恒星演化过程中产生的氦白矮星，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）有一天会首次看到的全新现象的一个主要例子。
质量较大的恒星会经历更加剧烈的死亡。大质量恒星核心的坍缩会形成中子星或黑洞，从而引发冲击波，将恒星的上覆层以超新星爆炸的形式炸入太空。随着大质量恒星从天空中消失，现在点缀宇宙的大部分爆炸也将消失。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，起源于联星系统，其中一颗恒星已成为白矮星。根据天文学家最喜欢的模型，在这些联星对中，来自伴星的富氢物质会在白矮星表面积聚，直到其突然的核聚变产生超新星。只要存在足够大的伴星，这种事件就会继续发生，可能还会持续约 1000 亿年。
在另一种超新星模型中，这种模型越来越受欢迎，两颗白矮星在它们的共同质量中心附近轨道上运行。当它们这样做时，它们的轨道运动会导致联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一起，形成短暂的、最后的阵发性爆发。这种事件可能会持续发生数万亿年。
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截然不同的类型，显然起源于两种完全不同的情景。长 GRB，即那些高能辐射爆发持续两秒或更长时间的 GRB，被认为发生在大质量恒星的核心坍缩形成中子星时。短 GRB，即那些爆发持续时间不到两秒的 GRB，被认为是由中子星与另一颗中子星或黑洞合并造成的。在未来的漫长岁月中，长 GRB 将变得极其罕见，因为大质量恒星不再形成，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，所有恒星都将燃烧殆尽，以爆炸或萎缩成白矮星的方式结束它们的生命。如果不算暗物质（其成分仍然是个谜），那么我们的星系——以及宇宙中所有其他星系——届时将主要由黑洞、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，即使在小于当前太阳到最近恒星的距离处，也无法用望远镜看到它们。多么悲哀，多么堕落，多么无趣。
然而，在这些死亡或衰落的天体中，大自然偶尔会产生巨大的爆发，短暂地提醒人们曾经用数十亿恒星熔炉的光芒点缀天空的核怒火。如果幸存的恒星附近有行星——我们可以预期许多或大多数恒星都会有行星——那么液态水以及各种生命形式可能会在其表面出现和持续存在。任何可能在这些行星上出现的生命都可能（已经存在于最微弱的恒星周围）持续存在到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。高度发达的文明，如果它们存在并持续存在，是否会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·戴森回顾了这种情况。他指出，在这种宇宙推测领域中的伟大领袖，“我想我已经表明，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，即大爆炸后不到 140 亿年的时代，几乎没有证据表明生物已经大规模地影响了宇宙。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征用宇宙资源中越来越大的份额[参见劳伦斯·M·克劳斯和格伦·D·斯塔克曼的《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。
我们注定要在这段旅程中度过短暂的时光，我们几乎没有机会获得关于实际将发生的事情的绝对确定性。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. 奥登在他 1957 年的诗歌中，在完全不同的背景下写道：“即使所有星星都消失或死去/我也应该学会仰望空旷的天空/感受其崇高的完全黑暗/即使这可能需要我一点时间。”
本文最初以“恒星的遥远未来”为标题在印刷版上发表。