揭秘萬億年後宇宙圖景：將更適合生命生存
恆星和行星系統將分崩離析；現在極為罕見的天體到了未來將非常常見，而且未來的宇宙將比現在更適合生命生存……數千億年後，宇宙將會變成這樣嗎？
撰文 唐納德•戈德史密斯(Donald Goldsmith)
翻譯 謝懿
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，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“5 760億年”，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，拜倫勛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。恆星形成這個宇宙現像，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。當前罕見的怪異現像(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台，讓一些抽像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像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像才會發生。越來越多天體物理學家也在他們的有關恆星和星系演化的模型中，引入了極為遙遠的未來。過去十年裡，他們試圖再現自大爆炸以來，恆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。
恆星的未來
美國加利福尼亞大學聖克魯斯分校的恆星形成專家格雷格•勞克林(Greg Laughlin)是研究上述問題的先驅。在讀研究生時，他就編寫了一個計算機程序，來計算極低質量恆星的演化，但忘記了在達到宇宙目前的年齡之後，讓程序停止運算。就這樣，這個程序不停地運行，得出了對未來數萬億年的預言——盡管這個預言存在很多錯誤，但足以讓他迷上了這個研究課題。
為了了解恆星的未來，我們需要知道它們是如何形成的。恆星誕生在氣體和塵埃雲中，這些星雲的質量從幾十萬到數百萬個太陽質量不等。這些遍布在銀河系中的“恆星育嬰室”已誕生了約幾千億顆恆星，最終還會形成數百億顆。然而，這些業已“出生”的恆星透支了未來：新一代恆星的原始物質正在被耗荊就算大質量恆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恆星鎖住的物質。目前，銀河系中，星際氣體的總質量只有恆星的十分之一左右。
今天，銀河系中恆星的形成速度接近每年一個太陽質量，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，恆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，恆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恆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。這兩個星系的致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激活恆星形成過程，引發天文學家稱之為的“星暴”。一旦這一生長勢頭過去，這個並合後的系統就會極為類似一個橢圓星系，即一個恆星形成所需物質稀少、恆星形成速率很低的成熟系統。
除了形成數量會減少之外，未來的恆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恆星創造的，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中已有的元素裡，使得下幾代的恆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、相對年輕的恆星，所擁有的重元素數量是100億年前形成的恆星的100倍。事實上，一些最老的恆星幾乎不含有任何重元素。未來的恆星甚至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
新生恆星中，重元素的穩步增加會導致兩個顯著效應。第一，這會增大恆星外層的不透明度。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，降低恆星的光度。恆星內部的力平衡隨之就會偏移，因為較低的光度意味著恆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恆星會比一顆相同質量、但缺少這些元素的恆星活得更久。然而，第二個效應會抵消作用：重元素是核聚變的負擔。因為它們不參與核聚變，因此在特定質量的恆星中，重要元素的存在會阻礙恆星獲得核燃料，進而縮短恆星的壽命。
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：在新生恆星中，由於重元素增多，恆星的不透明度升高，進而壽命延長。然而，重元素最終會成為恆星的重要成分，占據相當的比例，然後開始始縮短恆星的壽命。這兩個效應的交叉點，就是新生恆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恆星一起形成，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恆星的元素豐度，這些恆星周圍有700多顆太陽系外類木行星。他們的結果顯示，擁有較多重元素的恆星更有可能擁有一顆或多顆巨行星。“這一現像說明，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•約翰遜(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剛開始提供有關類地行星的這類數據，但它們的形成應該也和宿主恆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，極為遙遠的宇宙應該會充滿了行星。盡管恆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，行星的增多似乎生命並沒有太大的意義。在極遙遠的未來，絕大多數恆星都比太陽小得多，也暗得多。幸運的是，即便是一顆低質量、暗弱的恆星，也能衍生生命。光度僅有太陽千分之一的恆星，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，隨著恆星形成逐步減緩，每一顆新生的恆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。一些新生恆星的質量可能很小，光度可能很低，這使得它們可以持續然繞數千億或者數萬億年(這並不是說如此長壽的恆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。