了解大质量星体短暂的生命周期,从数十万年到数百万年不等,比如O型和B型星,以及我们太阳这样的G型星大约能持续120亿年,而更微小的M型星因为氢燃烧更彻底,寿命则可能达到数十亿年。相比之下,宇宙的年龄只有138亿年,所以恒星的一生几乎跨越了宇宙的全部历史和未来的走向。在此,我将从与我们息息相关的太阳燃料耗尽后,以及我们所知的宇宙标准模型对宇宙的预示来回答您的问题,呈现一幅完整的宇宙未来图景。
探讨宇宙的命运前,我们必须考虑地球和人类的未来。
坦白说,我们的太阳实在是太完美了,真的,不大不小,不热不冷,脾气也相对温和,一切都恰到好处!太阳以极其缓慢的速度通过核聚变把氢转变为氦。我们有幸诞生在太阳的壮年时期,它十分稳定,但太阳从孩提时代到现在已经亮度提高了20%。
而且,随着时间推移,太阳燃烧氢的速度会越来越快。在未来的数十亿年到120年之间,太阳会变得越来越亮,温度也随之升高。据预测,届时的海洋将会如下图所示:
温度升高,海洋沸腾,我认为这预示着我们人类未来的命运,也许就在10亿年后,太阳将步入亚巨星阶段。在未来的数十亿年间,太阳将持续变得更热,从现在起的50亿到70亿年间,太阳的氢燃料将耗尽,核心将点燃氦聚变。由于核心辐射压力的大幅增加,太阳会膨胀至红巨星阶段,届时地球的命运将何去何从。
以上就是我们与地球的未来景象。
但这一切仅是我们浩瀚宇宙中微不足道的一角。如果我们放眼遥远的未来,眺望广阔的宇宙,我们可能会问:这一切的最终命运将如何?换言之,宇宙将如何走向终结?
首先,让我们审视一下当今的宇宙是什么模样。
仰望星空,你所见的每一个光点都是一颗恒星(偶尔有一两颗行星)。它们中许多实际上是多颗星组成的双星、三星甚至是星团,其中许多(或许大部分)拥有自己的行星系统。就像上图所示,我们也可以看到横跨天空的黯淡光带,那是我们的银河系。
肉眼可见的成千上万颗恒星,只是构成我们银河系数千亿颗恒星的一小部分。而我们银河系横跨天空,绵延达10万光年。
事实上,如果我们看得更深更远,我们会发现星系结构在广阔的宇宙中无处不在,我们甚至可以在天空中的一小块区域找到数百个(或更多)星系,形成巨大的星系团,就像下图所示的后发星系团。
目前我们所处的宇宙正在膨胀,这已是共识,但像我们的太阳系、银河系和本星系群(如上图中的后发星系团)这些结构并没有被膨胀拉开。后发星系团确实正在远离我们,但星系团本身受引力束缚。
这意味着,如果引力已将某些结构束缚在一起,那么宇宙的膨胀就没有足够的力量将其撕裂。
那么,哪些东西会被束缚在一起,哪些东西会随宇宙的膨胀而扩张?
上图是一个超星系团!英仙座超星系团(类似于我们银河系所在的室女座星系团)直径近1000万光年,包含数千个星系,在引力束缚和膨胀的边缘摇摆不定。
如果我们观察更大尺度的结构,又会发现什么?
在大尺度结构上,我们可以看到不同大小的星系团之间通过丝状结构相互联系,但它们并没有被引力束缚在一起!星系团在相互远离!
我们现在了解到,是由于暗能量导致了宇宙的加速膨胀,越远的星系,远离我们的速度越快。
而且这还是在假设一个非常重要的事实:暗能量只是一个常数,并不会变化!
目前,暗能量为常数的假设与观察结果非常吻合。我们已经测量过,无论暗能量是什么,它都非常非常符合宇宙常数。
我们现在无法准确预估暗能量的未来,是一直保持常数,还是增加或减少!但可以肯定的是在上图的情况中,当前已经被各种力束缚在一起的物质将一直保持现状,现在持续加速远离我们的物质最终将会消失。
这对我们及宇宙的命运意味着什么?
上面这张图非常清楚地展示了银河系所在的本星系群,包括一些受引力束缚的卫星星系和附近的星团。在未来的数十亿年间,上图中的所有星系最终将融合在一起,形成一个巨大的椭圆星系,而宇宙中的其他星系将继续以更快的速度远离我们。
但如果暗能量并不像我们现在所认为的那样是个常量,又将发生什么?
暗能量减少,宇宙大收缩。
在这种情况下,暗能量不仅需要停止它当前的行为,还需要开始做相反的事情。如果是这样,我们可能会看到星系加速远离我们,然后突然开始减速,直到停止,并开始反向移动。感觉就像人为设计才能实现的宇宙“大收缩”命运。
暗能量将继续增强,宇宙大撕裂。(我认为可能性不大)让我们继续了解。
宇宙是一个永恒膨胀的领域,其中的每一个细节都体现了这种膨胀的稳定性。我们可以这样来理解:随着每一百万秒差距(大约相距300万光年),一个远离我们的物体速度会增加恰好60公里每秒。当该物体移动至3000万光年之外,其退行速度达到600公里每秒,而在30亿光年的距离,速度则飙升至60000公里每秒。这样的增长模式使人联想到光速,但它并非唯一的速度法则。
然而,倘若暗能量在时空的长河中不断增强,膨胀率也会随之攀升,意味着我们所面临的议题远超物体退行的速度。我们必须开始考虑引力所维系的宇宙结构是否能抵抗这股扩张之力。
就目前所知,假如我们的本星系团最终融合为一个巨型椭圆星系,随着暗能量的增长,星系的结构也许会逐渐遭受侵蚀。最初,受影响的是星系外围的恒星们——那些与星系中心联系较为微弱的星体——成为首批被驱逐出星系的天体。但随着暗能量的增强,连核心区域的恒星也无法幸免,最终被逐出,形成了一个由无数恒星系统构成的松散且不断膨胀的宇宙网。在这样的宇宙图景中,类似太阳系这样的恒星系统成了最大的结构。
你可能会怀疑,像太阳系这样尺度的结构,因引力的强大作用,是否已经足够稳定。然而,不理会星系的湮灭,暗物质的膨胀率仍在持续增加。恒星系统中的每一个成分——行星、卫星、彗星、小行星、气体、尘埃,乃至多恒星系统,都将面临瓦解。首先,外围的天体开始被抛出恒星系统,随着时间推移,连核心的行星也逃不过被抛散至星际空间,彼此渐行渐远。
似乎所有的结构都被摧毁,你可能会想,这下总该结束了吧。但我们别忘了,构成我们身体的,是数不尽的原子。更令人震惊的还在后面。
随着膨胀率的进一步提升,最终它会达到一个极高的数值,足以将宇宙中的一切结构——从恒星到行星,再到单个的原子——全部撕裂。在宇宙生命的最后一瞬间,甚至连亚原子粒子也无法逃脱这股力量,从原子中被剥离,宇宙在一场空前的大撕裂中宣告终结。
但不必惊慌,我们可以松一口气。因为根据目前的观测数据,尚不支持宇宙会走向大撕裂或大收缩的结局。测量结果显示,暗能量似乎真的是宇宙常数。宇宙或许仍将延续它那无尽的膨胀旅程。