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）

 

　　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“5760亿年”，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。

 

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