http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-05-13
揭秘万亿年后宇宙图景：将更适合生命生存
恒星和行星系统将分崩离析；现在极为罕见的天体到了未来将非常常见，而且未来的宇宙将比现在更适合生命生存……数千亿年后，宇宙将会变成这样吗？
撰文 唐纳德•戈德史密斯(Donald Goldsmith)
翻译 谢懿
时间那不可阻挡的脚步，总能激起我们对宇宙遥远未来的思考。但思考的结果通常令人沮丧。50亿年后，太阳会膨胀成一颗红巨星，在缓慢变暗前会吞没内太阳系。但这仅仅是整个未来的一个瞬间的画面——实际上，无穷短。随着天文学家放眼未来，例如幽默作家道格拉斯•亚当斯(Douglas Adams)在《宇宙终点的餐馆》中所写道的“5 760亿年”，他们会看到一个充满了无数正在暗去的天体的宇宙。到那时，空间的加速膨胀会把已经位于我们银河系之外的每一样东西都带到我们的视线之外，留下一个更加空荡的夜空。在1816年的长诗《黑暗》中，拜伦勋爵预见到了这一前景：“明亮的太阳熄灭，而星星则在暗淡的永恒虚空中流离失所。”
但好消息是：黑暗的降临只是故事的一半。恒星形成这个宇宙现象，确实在很久之前就已过了它最光辉的时期，但宇宙并没死去。奇异的新物种将会进入天文学家的动物园。当前罕见的怪异现象(如果有的话)将会司空见惯。宇宙中适宜生命生存的环境，甚至会变得更多。
科学的“末世学”——对极遥远未来的研究——在宇宙学和物理学中具有卓越的历史。这类研究不仅让人着迷，也为检验新理论提供了一个概念上的平台，让一些抽象理论可以变得更为具体——当宇宙学家描述空间形状对宇宙命运的影响时，这个宇宙学上最为抽象的概念也许就更容易理解一些。试图调和关于基本粒子与作用力的不同理论的物理学家预言，只有在数万亿年甚至更久之后，诸如质子衰变和黑洞蒸发的现象才会发生。越来越多天体物理学家也在他们的有关恒星和星系演化的模型中，引入了极为遥远的未来。过去十年里，他们试图再现自大爆炸以来，恒星和星系的形成及其成分变化的方式。随着科学家对过去的认识不断加深，他们可以推测出在遥远的未来，宇宙会发生什么。
恒星的未来
美国加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的恒星形成专家格雷格•劳克林(Greg Laughlin)是研究上述问题的先驱。在读研究生时，他就编写了一个计算机程序，来计算极低质量恒星的演化，但忘记了在达到宇宙目前的年龄之后，让程序停止运算。就这样，这个程序不停地运行，得出了对未来数万亿年的预言——尽管这个预言存在很多错误，但足以让他迷上了这个研究课题。
为了了解恒星的未来，我们需要知道它们是如何形成的。恒星诞生在气体和尘埃云中，这些星云的质量从几十万到数百万个太阳质量不等。这些遍布在银河系中的“恒星育婴室”已诞生了约几千亿颗恒星，最终还会形成数百亿颗。然而，这些业已“出生”的恒星透支了未来：新一代恒星的原始物质正在被耗尽。就算大质量恒星以超新星爆发死亡的形式，向星际空间返还一些物质；就算星系还可以从星系际空间吸积新鲜气体，这些新的物质仍无法重新补足被恒星锁住的物质。目前，银河系中，星际气体的总质量只有恒星的十分之一左右。
今天，银河系中恒星的形成速度接近每年一个太阳质量，但在80亿到100亿年前的鼎盛时期，这一速率至少是目前的10倍。劳克林估计，时间尺度每向前延伸10倍，恒星形成速率就会降低到原来的十分之一。因此在一千亿年后，恒星形成速率会降低到目前的十分之一，而在一万亿年后，这一速率则会降低到眼下的百分之一。
不过，剧烈的变化可能会打乱恒星形成速率不断降低的稳定进程。例如在不久后——“不久”指的是几十亿年后，我们所在的银河系必然会面对汹涌而来的仙女星系，它是距离我们最近的巨型旋涡星系。这两个星系的致密核心区要么会发生碰撞，要么会绕着它们的公共质心转动。这一相互作用会形成“银河仙女星系”。通过搅拌星际气体和尘埃，银河仙女星系会暂时激活恒星形成过程，引发天文学家称之为的“星暴”。一旦这一生长势头过去，这个并合后的系统就会极为类似一个椭圆星系，即一个恒星形成所需物质稀少、恒星形成速率很低的成熟系统。
除了形成数量会减少之外，未来的恒星会显示出它们对原始物质的改变作用。大爆炸的高温熔炉锻造出了氢、氦和锂，而所有更重的元素都是由恒星创造的，尤其是在它们的生命晚期——要么是随着年龄增大会抛射外层物质的红巨星，要么是超新星爆发。红巨星提供了绝大部分较轻且丰度较高的重元素，例如碳、氮和氧，而超新星所能产生的元素则更多，包括铀都是由超新星产生的。所有这些元素都会混入星际气体中已有的元素里，使得下几代的恒星在诞生时就拥有了更多的物质。太阳，这颗年龄为50亿年的、相对年轻的恒星，所拥有的重元素数量是100亿年前形成的恒星的100倍。事实上，一些最老的恒星几乎不含有任何重元素。未来的恒星甚至会含有更多的重元素，这会改变它们内部的运转方式和外观。
生命的新居
新生恒星中，重元素的稳步增加会导致两个显著效应。第一，这会增大恒星外层的不透明度。氢和氦几乎都是透明的，但即便是为数不多的重元素也会吸收辐射，降低恒星的光度。恒星内部的力平衡随之就会偏移，因为较低的光度意味着恒星会以更低的速率来消耗核燃料。如果只有这一效应在起作用，那么一颗富含重元素的恒星会比一颗相同质量、但缺少这些元素的恒星活得更久。然而，第二个效应会抵消作用：重元素是核聚变的负担。因为它们不参与核聚变，因此在特定质量的恒星中，重要元素的存在会阻碍恒星获得核燃料，进而缩短恒星的寿命。
劳克林和他的同事、美国密歇根大学的弗雷德•亚当斯(Fred Adams)在1997年最先对这两个效应进行了研究。他们发现，第一个效应会在未来的数万亿年内起主导作用：在新生恒星中，由于重元素增多，恒星的不透明度升高，进而寿命延长。然而，重元素最终会成为恒星的重要成分，占据相当的比例，然后开始始缩短恒星的寿命。这两个效应的交叉点，就是新生恒星中重元素的比例达到目前值的4倍时。
重元素还有利于行星与恒星一起形成，因而为生命的出现提供了不错的前景。天文学家已经测量了一些恒星的元素丰度，这些恒星周围有700多颗太阳系外类木行星。他们的结果显示，拥有较多重元素的恒星更有可能拥有一颗或多颗巨行星。“这一现象说明，行星的形成和重元素数量之间存在明确的相关性，”美国加州理工学院的行星搜寻专家约翰•约翰逊(John Johnson)说，“因为星际介质中重元素不断增多，行星出现的概率就可能上升。”
那类地行星又会怎样？虽然空间望远镜才刚刚开始提供有关类地行星的这类数据，但它们的形成应该也和宿主恒星的重元素丰度相关。这一相关性甚至会更强，因为类地行星几乎全由较重的元素构成。简言之，极为遥远的宇宙应该会充满了行星。尽管恒星的形成速率会变小，但到目前为止，可能还有一半或者三分之二的行星还未诞生。
最开始，行星的增多似乎生命并没有太大的意义。在极遥远的未来，绝大多数恒星都比太阳小得多，也暗得多。幸运的是，即便是一颗低质量、暗弱的恒星，也能衍生生命。光度仅有太阳千分之一的恒星，就可使距其很近的行星具有合适的温度，维持液体存在所需的温度，满足生命存在所需的可能条件。
行星不应该只是变得更为普遍，还会含有更多生命所需的物质。除了液态水，地球上的生命以及科学家猜想的几乎所有生命形式还会依赖碳、氮和氧。随着时间推移，这些元素相对丰度的提高应该会形成更多适宜生命存在的行星。因此，随着恒星形成逐步减缓，每一颗新生的恒星拥有一颗或多颗可承载生命的行星的概率应该会逐渐提高。一些新生恒星的质量可能很小，光度可能很低，这使得它们可以持续然绕数千亿或者数万亿年(这并不是说如此长寿的恒星才是生命的起源与演化所必需的条件)。然而，无论今天的宇宙是充满了还是鲜有生命，未来它应该都会拥有更丰富和更多样的生命形式。
当行星碰撞时
行星系统的寿命是如此之长，于是新的效应就会显现出来。我们想当然地认为太阳系是稳定的；没有人担心地球的轨道很快会日渐混沌，使得我们和金星相撞。当我们探究几十亿年的时间尺度时，这种确定性就会消失。2009年，法国巴黎天文台的雅克•拉斯卡尔(Jacques Lasker)和米卡埃尔•加斯蒂诺(Mickael Gastineau)对太阳系四颗内行星的未来轨道做了数千次模拟，在每一次的模拟中，他们都会稍微改变这些行星的初始位置(相对上一次)——只有几米的偏离。结果发现，在未来的50亿年里，水星有大约1%的概率会猛烈撞上金星，为更令人毛骨悚然的、可能会牵涉到地球的碰撞埋下了伏笔。在未来1万亿年间，这样的碰撞发生的可能性很高。
当仙女星系和银河系并合时，这个潜在的碰撞进程就会被打乱，因为它会重构这两个星系的引力场，使太阳系发生大规模重建。正如劳克林在评论拉斯卡尔和加斯蒂诺的结果时所说：“我们现在要弄清楚的是，能如此轻易影响到太阳系的动力学混沌(发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动)，能在多大程度上掌控银河系中的行星。”
在一颗恒星的行星系统中，轨道混沌也会发生在大得多的尺度上。在紧密结合的双星、三合星以及成员更多的聚星系统中，恒星会在相互引力的作用下绕着每个系统的质心运动。对于星团乃至整个星系而言也是如此。在所有这些结构中，恒星几乎永远都不会相撞——虽然在天文学上它们若比邻，但空间的巨大膨胀会让它们相隔天涯。
然而，在长时间下，“几乎永远都不”会演变成“有时”，最终变成“几乎总是”。每个双星系统最终会在外部引力的作用下瓦解，或由于引力辐射带走系统的能量，而逐渐靠拢进、并合。如果两颗恒星相距较远，双星系统会面对前一种情况；相反，则会遭遇后者。
当两颗恒星并合的时候，它们暂时会形成一颗质量更大也更亮的恒星。即便是一颗木星这样大的行星也会造成类似的效应，不过是在较小的尺度上。设想一颗质量只有太阳十分之一，寿命接近一万亿年的中等恒星，并假设它有一颗类木行星。 如果这颗行星的轨道运行周期不止几天，那它最终可能会被甩出这个系统。反过来，如果它在更靠近该恒星的轨道上，最后就有可能会和恒星并合，为恒星提供新鲜的氢补给，在短时间内猛烈地提高该恒星的能量输出，产生类似新星的爆发。未来，这样的恒星爆发会不时打断恒星数量和亮度缓慢下降的趋势。就算是一万亿年之后的天文学家也会观测到，在他们的星系里，数目不断减少的恒星中会有一些奇怪的事件发生。
恒星的宿命
甚至在数百亿或数千亿年后，甚至当恒星形成都成了“涓涓细流”，仍会有大量恒星继续发光。宇宙中绝大数恒星都有着低质量和极长的预期寿命。恒星的寿命和它们的质量成显著反比——大质量恒星十分明亮，它们会快速燃烧，在几百万年后爆炸；质量远小于太阳的恒星则可持续存活数千亿年甚至更长。这些恒星会非常缓慢地消耗自身的燃料，以致于在极为漫长的时间跨度里，即便物质有限，也能为核燃烧提供原料。
不同质量的恒星会以不同的方式死去。太阳会变成一颗红巨星，而随着外层物质全部消散，进入星际空间，它的核心会成为一颗白矮星——一个几乎全由碳原子核和电子组成的、地球大小的致密恒星遗迹。但在质量不足太阳一半的恒星中，它们的核心温度永远也无法触发那种能使恒星进入红巨星阶段的核聚变反应。天文学家认为，这些恒星最终会演化成氦白矮星——正如其名，这种恒星差不多全部由氦组成，只有少量的氢和微量的其他元素。在今天的宇宙中，当两颗距离很近的双星剥离掉彼此的外层物质，且在其氦核被点燃之前，偶尔也会形成氦白矮星。但天文学家还未曾发现通过恒星演化的正常过程而形成的任何氦白矮星，因为自大爆炸以来，还没有足够的时间来完成这样的过程。也许要在很多年后，我们的那些后来能看见那些孤立的氦白矮星。
质量更大的恒星则会经历更为剧烈的死亡。大质量恒星的核心会坍缩成一颗中子星或黑洞，该过程产生的激波会使得恒星的外层以超新星的形式爆炸。随着大质量恒星的消失，今天不断出现在宇宙中的这些爆炸也会销声匿迹。不过，另一种超新星仍会偶尔点亮天空。被称为Ia型超新星的这类爆发，产生于有一颗子星是白矮星的双星系统。按照最受天文学家青睐的模型，来自伴星的、富含氢的物质会在这颗白矮星的表面累积，直到突然的核聚变产生超新星。在未来的1 000亿年里，只要存在质量足够大的伴星，这样的事件就会发生。
在另一个超新星模型中，两颗白矮星会极为靠近地绕着它们的公共质心旋转。在此过程中，它们的轨道运动会导致该双星系统发射出引力波。这一辐射会带走系统的能量，使得白矮星的轨道发生收缩。这两颗白矮星彼此接近的速度会越来越快，直到死亡的旋涡让它们合并，引发短暂的爆发。这些事件可能还会此后数万亿年里继续发生。
比超新星爆炸更为明亮的是伽马射线暴。这些剧烈的爆炸可以分为两大类，它们也源自两种完全不同的情况。爆发持续时间在2秒以上的长时间伽马射线暴，可能是大质量恒星的核心坍缩成中子星时产生的；持续时间不足2秒的短时间伽马射线暴，则被认为源自一颗中子星和另一颗中子星或黑洞的并合。随着大质量恒星停止形成，在未来的十亿年里，长时间伽马射线暴会变得极其罕见，但短时间伽马射线暴可能仍会在未来的数万亿年里打破天空的宁静。
万亿年后
当我们用万亿年而不是十亿年来度量宇宙时间时，我们会进入一个恒星形成将会终止的时期。除了质量最小的恒星之外，所有的恒星会将燃烧殆尽，或以爆炸、或以凋零成白矮星的方式结束它们的生命。如果不考虑谜一样的暗物质，我们的银河系——以及宇宙中其他所有的星系——此时都将以黑洞、中子星、白矮星和极端暗弱的红矮星为主。红矮星非常暗弱，即便位于目前距离太阳最近的恒星处，不使用望远镜也无法看到它们。多令人伤心、多无趣啊。
然而，在这些已经死亡或者正在暗去的天体中，大自然仍会偶尔地产生一次猛烈的爆发，也算是对曾经照亮天空的数十亿颗恒星的短暂回忆。如果幸存下来的恒星的附近拥有行星——我们可以预期它们中的绝大多数会有，那么液态水和不同的生命形式可能就会出现，并在上面存活。如果能躲开近距超新星或者是伽马射线暴的侵袭，任何能在这些行星上起源的生命，都有可能会延续至我们无法想象的时期。
对极遥远未来的这一研究留下了一个重大且不确定的议题。高度先进的文明，如果他们存在并能持续下去的话，是否能改变宇宙的历史进程？30多年前，美国普林斯顿高等研究院的弗里曼•戴森(Freeman Dyson)对此进行了思考。作为这类宇宙猜想的主要提出者，他说：“我认为我已经证明，有充足的科学原因能让我们认真地审视如下的可能性，即生命和智慧可以成功地按照自己的意图来塑造这个宇宙。”在我们目前所处的时代，即在大爆炸之后不到140亿年时，还没有证据表明生物能在大尺度上影响宇宙。但是，时间的列车才刚刚出发。未来，生命的存在将会占用更多的宇宙资源，整个宇宙都会成为我们的花园。
在宇宙时间的尺度上，我们的存在时间或许连瞬间都算不上，几乎不可能确切地知道，未来的宇宙到底会发生什么。但我们的思想是自由的，可以奔向我们所能想象的任何时间段。正如奥登(W. H. Auden，美籍英国诗人)在他1957年的诗中，描述了一个完全不同的宇宙：“所有恒星行将消失或死亡，我应该学会看向空荡的天空，去感受黑暗的壮丽，尽管这会花一点时间。”
本文作者
唐纳德•戈德史密斯可能是唯一一个曾经当过税务律师的天文学家，他的律师生涯赚了不少钱，不过很短暂。1969年，他在美国加利福尼亚大学伯克利分校获得了天文学博士学位，并成了卡尔•萨根(Carl Sagan)《宇宙》系列剧的顾问。他还是其他一些节目的主要作者，例如和莉莉•汤姆林(Lily Tomlin)一起合作的《新星》剧集《哪儿有人吗？》以及系列剧《天文学家》。
本文译者
谢懿在南京大学天文与空间科学学院获天文学博士学位，随后在美国密苏里大学哥伦比亚分校物理与天文学系任访问学者，目前任职于南京大学。
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