─宇宙的命運─ 文: Donald W. Goldsmith-天文學博士
(來源:環球科學 2018-04-09)
“明亮的太陽熄滅，而星星則在暗淡的永恆虛空中─流離失所。”
時間那不可阻擋的腳步，總能激起我們對宇宙遙遠未來的思考。但思考的結果通常令人沮喪。50億年後，太陽會膨脹成一顆紅巨星，在緩慢變暗前會吞沒內太陽系。但這僅僅是整個未來的一個瞬間的畫面——實際上，這個瞬間無窮短。隨著天文學家放眼未來，例如幽默作家道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）在《宇宙終點的餐館》中所寫道的“5760億年”，他們會看到一個充滿了無數正在暗去的天體的宇宙。到那時，空間的加速膨脹會把已經位於我們銀河系之外的每一樣東西都帶到我們的視線之外，留下一個更加空蕩的夜空。在1816年的長詩《黑暗》中，拜倫勳爵預見到了這一前景：“明亮的太陽熄滅，而星星則在暗淡的永恆虛空中流離失所。”
但好消息是：黑暗的降臨只是故事的一半。恒星形成這個宇宙現象，確實在很久之前就已過了它最光輝的時期，但宇宙並沒死去。奇異的新物種將會進入天文學家的動物園。當前罕見的怪異現象（如果有的話）將會司空見慣。宇宙中適宜生命生存的環境，甚至會變得更多。
科學的“末世學”——對極遙遠未來的研究——在宇宙學和物理學中具有卓越的歷史。這類研究不僅讓人著迷，也為檢驗新理論提供了一個概念上的平臺，讓一些抽象理論可以變得更為具體——當宇宙學家描述空間形狀對宇宙命運的影響時，這個宇宙學上最為抽象的概念也許就更容易理解一些。試圖調和關於基本粒子與作用力的不同理論的物理學家預言，只有在數萬億年甚至更久之後，諸如質子衰變和黑洞蒸發的現象才會發生。
越來越多的天體物理學家在有關恒星和星系演化的模型中，引入了極為遙遠的未來。過去十年裏，他們試圖再現自大爆炸以來，恒星和星系的形成及其成分變化的方式。隨著科學家對過去的認識不斷加深，他們可以推測出在遙遠的未來，宇宙會發生什麼。
恒星的未來
美國加利福尼亞大學聖克魯斯分校的恒星形成專家葛列格·勞克林（Greg Laughlin）是研究上述問題的先驅。在讀研究生時，他就編寫了一個電腦程式，來計算極低品質恒星的演化，但他忘記了在達到宇宙目前的年齡之後，讓程式停止運行。就這樣，這個程式不停地運行，得出了對未來數萬億年的預言——儘管這個預言存在很多錯誤，但足以讓他迷上這個研究課題。
為了瞭解恒星的未來，我們需要知道它們是如何形成的。恒星誕生在氣體和塵埃雲中，這些星雲的品質從幾十萬到數百萬個太陽品質不等。這些遍佈在銀河系中的“恒星育嬰室”已誕生了幾千億顆恒星，最終還會形成數百億顆。
然而，這些業已“出生”的恒星透支了未來：新一代恒星的原始物質即將耗盡。就算大品質恒星以超新星爆發死亡的形式，向星際空間返還一些物質；就算星系還可以從星系際空間吸積新鮮氣體，這些新的物質仍無法重新補足被恒星鎖住的物質。目前，銀河系中，星際氣體的總品質只有恒星的十分之一左右。
今天，銀河系中恒星的形成速率接近每年一個太陽品質，但在80億到100億年前的鼎盛時期，這一速率至少是目前的10倍。勞克林估計，時間尺度每向前延伸10倍，恒星形成速率就會降低到原來的十分之一。因此在一千億年後，恒星形成速率會降低到目前的十分之一，而在一萬億年後，這一速率則會降低到眼下的百分之一。
不過，劇烈的變化可能會打亂恒星形成速率不斷降低的穩定進程。例如在不久後——“不久”指的是幾十億年後，我們所在的銀河系必然會面對洶湧而來的仙女星系，它是距離我們最近的巨型旋渦星系。
這兩個星系的緻密核心區要麼會發生碰撞，要麼會繞著它們的公共質心轉動。這一相互作用會形成“銀河仙女星系”。通過攪拌星際氣體和塵埃，銀河仙女星系會暫時啟動恒星形成過程，引發天文學家稱之為的“星暴”。一旦這一生長勢頭過去，這個併合後的系統就會極為類似一個橢圓星系，即一個恒星形成所需物質稀少、恒星形成速率很低的成熟系統。
除了形成數量會減少之外，未來的恒星會顯示出它們對原始物質的改變作用。大爆炸的高溫熔爐鍛造出了氫、氦和鋰，而所有更重的元素都是由恒星創造的，尤其是在它們的生命晚期——要麼是隨著年齡增大會拋射外層物質的紅巨星，要麼是超新星爆發。紅巨星提供了絕大部分較輕且豐度較高的重元素，例如碳、氮和氧，而超新星所能產生的元素則更多，包括鈾都是由超新星產生的。
所有這些元素都會混入星際氣體已有的元素裏，使得下幾代的恒星在誕生時就擁有了更多的物質。太陽，這顆年齡為50億年的、相對年輕的恒星，所擁有的重元素數量是100億年前形成的恒星的100倍。事實上，一些最老的恒星幾乎不含有任何重元素。未來的恒星會含有更多的重元素，這會改變它們內部的運轉方式和外觀。
生命的新居
新生恒星中，重元素的穩步增加會導致兩個顯著效應。第一，這會增大恒星外層的不透明度。氫和氦幾乎都是透明的，但即便是為數不多的重元素也會吸收輻射，降低恒星的光度。恒星內部的力平衡隨之就會偏移，因為較低的光度意味著恒星會以更低的速率來消耗核燃料。
如果只有這一效應在起作用，那麼一顆富含重元素的恒星會比一顆相同品質、但缺少這些元素的恒星活得更久。然而，第二個效應會抵消這種作用：重元素是核聚變的負擔。因為它們不參與核聚變，因此在特定品質的恒星中，重要元素的存在會阻礙恒星獲得核燃料，進而縮短恒星的壽命。
勞克林和他的同事、美國密歇根大學的弗雷德·亞當斯（Fred Adams）在1997年最先對這兩個效應進行了研究。他們發現，第一個效應會在未來的數萬億年內起主導作用：在新生恒星中，由於重元素增多，恒星的不透明度升高，進而壽命延長。然而，重元素最終會成為恒星的重要成分，佔據相當的比例，然後開始縮短恒星的壽命。這兩個效應的交叉點，就是新生恒星中重元素的比例達到目前值的4倍時。
重元素還有利於行星與恒星一起形成，因而為生命的出現提供了不錯的前景。天文學家已經測量了一些恒星的元素豐度，這些恒星周圍有700多顆太陽系外類木行星。他們的結果顯示，擁有較多重元素的恒星更有可能擁有一顆或多顆巨行星。“這一現象說明，行星的形成和重元素數量之間存在明確的相關性，”美國加州理工學院的行星搜尋專家約翰·詹森（John Johnson）說，“因為星際介質中重元素不斷增多，行星出現的概率就可能上升。”
那類地行星又會怎樣？雖然空間望遠鏡才剛開始提供有關類地行星的這類資料，但它們的形成應該也和宿主恒星的重元素豐度相關。這一相關性甚至會更強，因為類地行星幾乎全由較重的元素構成。簡言之，遙遠未來的宇宙應該會充滿了行星。儘管恒星的形成速率會變小，但到目前為止，可能還有一半或者三分之二的行星還未誕生。
最開始，行星的增多似乎對生命並沒有太大的意義。在極遙遠的未來，絕大多數恒星都比太陽小得多，也暗得多。幸運的是，即便是一顆低品質、暗弱的恒星，也能衍生生命。光度僅有太陽千分之一的恒星，就可使距其很近的行星具有合適的溫度，維持液體存在所需的溫度，滿足生命存在所需的可能條件。
行星不應該只是變得更為普遍，還會含有更多生命所需的物質。除了液態水，地球上的生命以及科學家猜想的幾乎所有生命形式還會依賴碳、氮和氧。隨著時間推移，這些元素相對豐度的提高應該會形成更多適宜生命存在的行星。因此，隨著恒星形成逐步減緩，每一顆新生的恒星擁有一顆或多顆可承載生命的行星的概率應該會逐漸提高。一些新生恒星的品質可能很小，光度可能很低，這使得它們可以持續燃燒數千億或者數萬億年（這並不是說如此長壽的恒星才是生命的起源與演化所必需的條件）。然而，無論今天的宇宙是充滿了還是鮮有生命，未來它應該都會擁有更豐富和更多樣的生命形式。
當行星碰撞時
行星系統的壽命是如此之長，於是新的效應就會顯現出來。我們想當然地認為太陽系是穩定的；沒有人擔心地球的軌道很快會日漸混沌，使得我們和金星相撞。當我們探究幾十億年的時間尺度時，這種確定性就會消失。2009年，法國巴黎天文臺的雅克·拉斯卡爾（Jacques Lasker）和米卡埃爾·加斯蒂諾（Mickael Gastineau）對太陽系四顆內行星的未來軌道做了數千次模擬，在每一次的類比中，他們都會稍微改變這些行星的初始位置（相對上一次）——只有幾米的偏離。結果發現，在未來的50億年裏，水星有大約1%的概率會猛烈撞上金星，為更可怕的、可能會牽涉地球的碰撞埋下了伏筆。在未來1萬億年間，這樣的碰撞發生的可能性很高。
當仙女星系和銀河系併合時，這個潛在的碰撞進程就會被打亂，因為它會重構這兩個星系的引力場，使太陽系發生大規模重建。正如勞克林在評論拉斯卡爾和加斯蒂諾的結果時所說：“我們現在要弄清楚的是，能如此輕易影響到太陽系的動力學混沌（發生在確定性系統中的貌似隨機的不規則運動），能在多大程度上掌控銀河系中的行星。”
在一顆恒星的行星系統中，軌道混沌也會發生在大得多的尺度上。在緊密結合的雙星、三合星以及成員更多的聚星系統中，恒星會在相互引力的作用下繞著每個系統的質心運動。對於星團乃至整個星系而言也是如此。在所有這些結構中，恒星幾乎永遠都不會相撞——雖然在天文學上它們若比鄰，但空間的巨大膨脹會讓它們相隔天涯。
然而，在長時間下，“幾乎永遠都不”會演變成“有時”，最終變成“幾乎總是”。每個雙星系統最終會在外部引力的作用下瓦解，或由於引力輻射帶走系統的能量，而逐漸靠近、併合。如果兩顆恒星相距較遠，雙星系統會面對前一種情況；相反，則會遭遇後者。
當兩顆恒星併合的時候，它們暫時會形成一顆品質更大也更亮的恒星。即便是一顆木星這樣大的行星也會造成類似的效應，不過是在較小的尺度上。設想一顆品質只有太陽十分之一，壽命接近一萬億年的中等恒星，並假設它有一顆類木行星。如果這顆行星的軌道運行週期不止幾天，那它最終可能會被甩出這個系統。
反過來，如果它在更靠近該恒星的軌道上，最後就有可能會和恒星併合，為恒星提供新鮮的氫補給，在短時間內猛烈地提高該恒星的能量輸出，產生類似新星的爆發。未來，這樣的恒星爆發會不時打斷恒星數量和亮度緩慢下降的趨勢。就算是一萬億年之後的天文學家也會觀測到，在他們的星系裏，數目不斷減少的恒星中會有一些奇怪的事件發生。
恒星的宿命
甚至在數百億或數千億年後，甚至當恒星形成都成了“涓涓細流”，仍會有大量恒星繼續發光。宇宙中絕大多數恒星都有著低品質和極長的預期壽命。恒星的壽命和它們的品質成顯著反比——大品質恒星十分明亮，它們會快速燃燒，在幾百萬年後爆炸；品質遠小於太陽的恒星則可持續存活數千億年甚至更長。這些恒星會非常緩慢地消耗自身的燃料，以至於在極為漫長的時間跨度裏，即便物質有限，也能為核燃燒提供原料。
不同品質的恒星會以不同的方式死去。太陽會變成一顆紅巨星，而隨著外層物質全部消散，進入星際空間，它的核心會成為一顆白矮星——一個幾乎全由碳原子核和電子組成的、地球大小的緻密恒星遺跡。但在品質不足太陽一半的恒星中，它們的核心溫度永遠也無法觸發那種能使恒星進入紅巨星階段的核聚變反應。
天文學家認為，這些恒星最終會演化成氦白矮星——正如其名，這種恒星差不多全部由氦組成，只有少量的氫和微量的其他元素。在今天的宇宙中，當兩顆距離很近的雙星剝離掉彼此的外層物質，且在其氦核被點燃之前，偶爾也會形成氦白矮星。但天文學家還未曾發現通過恒星演化的正常過程而形成的任何氦白矮星，因為自大爆炸以來，還沒有足夠的時間來完成這樣的過程。也許要在很多年後，我們的後代能看見那些孤立的氦白矮星。
品質更大的恒星則會經歷更為劇烈的死亡。大品質恒星的核心會坍縮成一顆中子星或黑洞，該過程產生的激波會使得恒星的外層以超新星的形式爆炸。隨著大品質恒星的消失，今天不斷出現在宇宙中的這些爆炸也會銷聲匿跡。不過，另一種超新星仍會偶爾點亮天空。被稱為Ia型超新星的這類爆發，產生於有一顆子星是白矮星的雙星系統。按照最受天文學家青睞的模型，來自伴星的、富含氫的物質會在這顆白矮星的表面累積，直到突然的核聚變產生超新星。在未來的1 000億年裏，只要存在品質足夠大的伴星，這樣的事件就會發生。
在另一個超新星模型中，兩顆白矮星會極為靠近地繞著它們的公共質心旋轉。在此過程中，它們的軌道運動會導致該雙星系統發射出引力波。這一輻射會帶走系統的能量，使得白矮星的軌道發生收縮。這兩顆白矮星彼此接近的速度會越來越快，直到死亡的旋渦讓它們合併，引發短暫的爆發。這些事件可能還會在此後數萬億年裏繼續發生。
比超新星爆炸更為明亮的是伽馬射線暴。這些劇烈的爆炸可以分為兩大類，它們也源自兩種完全不同的情況。爆發持續時間在2秒以上的長時間伽馬射線暴，可能是大品質恒星的核心坍縮成中子星時產生的；持續時間不足2秒的短時間伽馬射線暴，則被認為源自一顆中子星和另一顆中子星或黑洞的併合。隨著大品質恒星停止形成，在未來的十億年裏，長時間伽馬射線暴會變得極其罕見，但短時間伽馬射線暴可能仍會在未來的數萬億年裏打破天空的寧靜。
萬億年後
當我們用萬億年而不是十億年來度量宇宙時間時，我們會進入一個恒星形成將會終止的時期。除了品質最小的恒星之外，所有的恒星都將燃燒殆盡，或以爆炸、或以凋零成白矮星的方式結束它們的生命。如果不考慮謎一樣的暗物質，我們的銀河系——以及宇宙中其他所有的星系——此時都將以黑洞、中子星、白矮星和極端暗弱的紅矮星為主。紅矮星非常暗弱，即便位於目前距離太陽最近的恒星處，不使用望遠鏡也無法看到它們。多令人傷心、多無趣啊。
然而，在這些已經死亡或者正在暗去的天體中，大自然仍會偶爾產生一次猛烈的爆發，也算是對曾經照亮天空的數十億顆恒星的短暫回憶。如果倖存下來的恒星的附近擁有行星——我們可以預期它們中的絕大多數會有，那麼液態水和不同的生命形式可能就會出現，並在上面存活。如果能躲開近距超新星或者伽馬射線暴的侵襲，任何能在這些行星上起源的生命，都有可能會延續至我們無法想像的時期。
對極遙遠未來的這一研究留下了一個重大且不確定的議題。高度先進的文明，如果它們存在並能持續下去的話，是否能改變宇宙的歷史進程？30多年前，美國普林斯頓高等研究院的弗裏曼·戴森（Freeman Dyson）對此進行了思考。作為這類宇宙猜想的主要提出者，他說：“我認為我已經證明，有充足的科學原因能讓我們認真地審視如下的可能性，即生命和智慧可以成功地按照自己的意圖來塑造這個宇宙。”
在我們目前所處的時代，即在大爆炸之後不到140億年時，還沒有證據表明生物能在大尺度上影響宇宙。但是，時間的列車才剛剛出發。未來，生命的存在將會佔用更多的宇宙資源，整個宇宙都會成為我們的花園。
在宇宙時間的尺度上，我們的存在時間或許連瞬間都算不上，幾乎不可能確切地知道，未來的宇宙到底會發生什麼。但我們的思想是自由的，可以奔向我們所能想像的任何時間段。正如奧登（W. H. Auden，美籍英國詩人）在他1957年的詩中，描述了一個完全不同的宇宙：“所有恒星行將消失或死亡，我應該學會看向空蕩的天空，去感受黑暗的壯麗，儘管這會花一點時間。”
﹝註﹞Donald W. Goldsmith─唐納德‧戈德‧史密斯
唐納德‧戈德‧史密斯，出生於1943年2月24日─。他以天文學家（1991年），望遠鏡400年（2009年）和宇宙：時空奧德賽（2014年）的作品而聞名。天文學家Donald W. Goldsmith，於1969年3月在美國加州大學伯克利分校，獲得了天文學博士學位。
他的著作包括：“尋找宇宙中的生命”（1992）; 愛因斯坦最偉大的失誤？：宇宙物理學中的宇宙常數和其他福吉因素（1995）; 和與宇宙連接（2002）。唐納德·戈德史密斯曾寫過十幾本有關天文學、宇宙學和太空科學的書籍，其中包括《在火星上尋找生命》、《逃逸的宇宙》以及《天文學家們》，這些都曾是PBS系列叢書。
美國天文學協會為表揚他致力於推廣和普及天文學的努力而授予他終生成就獎。
《連接宇宙》，美國著名天文學唐納德·戈德史密為我們提供了親眼觀察宇宙現象的9種途徑，簡單、直接。你將會帶著一種友好的認知情感去觀看星空，並會產生一種喜悅和敬畏感：
在同一天觀看日出和日落來體驗每日周而復始的感覺。
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《萬物起源：宇宙140億年的演化史》
作者--尼爾德格拉斯‧泰森、唐納德戈德‧史密斯、
作者試圖在短短200多頁的篇幅裏勾勒出整個宇宙140億年的演化歷史，從大爆炸開始，至尋找地外文明而終。作者綜合了多個科學領域的成果而呈現出宇宙的全貌。他也同時強調，科學的方法及其與生俱求的懷疑態度是我們理解諸如暗物質、恒星結構以及地球生命起源等宇宙奧秘的惟一途徑。
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