“光明可以戰勝黑暗,黑暗還是無法征服光明。”——唐納德·L·希克斯
在白天,地球上的萬物有太陽的滋養;在夜晚,天空也並非一片黑暗,而是掛滿了繁星。在宇宙中,無論我們朝哪個方向看,最終都會看到一絲光明。但是宇宙中的恆星最終都會熄滅,只會留下不發出任何可見光的黑矮星(宇宙目前不存在)。雖然黑暗最終會佔據上風,但這至少需要數萬億年的時間。
但是問題又來了:我們知道宇宙中還存在“失敗的恆星”褐矮星,它們也有雙星系統,例如:距離我們大約6光年的Luhman 16,就是一個雙褐矮星系統,如果在未來雙褐矮星的軌道發生衰減合併,會不會形成一顆紅矮星?如果是這樣的話,宇宙在未來仍然會有恆星。
未來我們能看到的恆星和星系會越來越少今天,我們利用現有最好的裝置去觀察宇宙,很容易會得出這樣的結論,宇宙中的“物質”貌似是無限的。因為我們看得越久、看的越遠,就會看到越來越多的星系!
無論我們看向天空的任何方向:
在銀河系的中心,在星雲或星團的中心,在我們的銀河系之外,或者即使在一個看起來完全空曠的空白區域,我們都會發現大量的發光物體。當然,這些發光物體中要麼是單個恆星、要麼是恆星的集合、要麼是星系或星系團。
但是,儘管我們星系中大約有4000億顆恆星,可觀測宇宙中至少有2000億個星系(這是個下限值),但在未來我們所能看到的星光會越來越少,而不是越來越多。
為什麼會這樣呢?其有兩個原因,一個影響著最遠的光源,另一個影響著最近的光源。
宇宙由暗能量主導。我們已經通過三條獨立、互不相干的測量方式(宇宙微波背景線、遙遠的Ia型超新星和重子聲學振盪)確定物質不是我們宇宙中能量的主要形式。相反,組成我們的普通物質和大約五倍於我們的暗物質只佔目前總能量的三分之一,其他三分之二是一種新形式的能量,也就是空間本身固有的暗能量。
大約60億年前,當暗能量主導宇宙膨脹時,距離我們遙遠的星系開始以比以前更快的速度遠離我們。隨著時間的推移,這些星系離我們越來越遠,它們今天發出的光在未來的任何時刻都無法到達我們,這是因為在暗能量的作用下空間呈指數級的快速膨脹。
就目前的情況來看,在大約1000億到1500億年後,我們所在的星系群(仙女座星系、銀河系、三角座星系、麥哲倫星雲以及大約40到50個其他矮星系)將會在很長一段時間內融合成一個巨大的橢圓星系。由於暗能量的存在,所有其他的外星系都將加速遠離我們,以至於我們再也看不到任何外星系。但在我們的新家園,“銀河仙女巨型橢圓星系”(Milkdromeda)中,我們仍然擁有大量的恆星。
但這些恆星只會存在有限的時間,因為…
宇宙正在緩慢的消耗恆星的燃料。現在宇宙中恆星的形成率比以往任何時候都要低:只有數十億年前峰值的3%。當銀河系和仙女座星系合併時,會發生一個恆星形成爆發期(稱為星爆星系),但在這之後,恆星形成的速度會急劇下降。
大多數品質較大的恆星將變成超新星,而品質較小、類似太陽的恆星將在行星狀星雲中吹散外層,而它們的核心則收縮形成白矮星。隨著時間的推移,這些超新星和行星狀星雲會釋放出大量未燃盡的燃料(氫和氦),因此,新的恆星將能夠在數萬億年的時間裡繼續形成。然而,恆星的形成速度應該會繼續下降,因此從現在開始的數萬億年後,從氣體雲中形成哪怕是一顆恆星都將是極其罕見的事件。
有一點我們需要考慮:品質最小的恆星其壽命最長。真正的恆星與“失敗的恆星”(或褐矮星)之間的分界線在於,它的核心是否能將氫聚變為氦,這需要核心溫度至少在400萬攝氏度左右。其品質需要大約7.5- 8%的太陽品質,這就代表了褐矮星和紅矮星之間的那條線分界線。最低品質的紅矮星消耗完自身的燃料需要約20萬億年的時間,壽命比任何其他恆星都要長,就算現在的宇宙年齡在其面前也只能望其項背。
此外,紅矮星有最簡單的命運:紅矮星不是死於災難性的超新星,也不是在行星狀星雲中吹散其外層,而是可以將它們100%的氫轉化為氦,最終收縮形成氦白矮星。
宇宙中種類最多的恆星是m類恆星,或者說紅矮星,大約每4顆恆星中就有3顆屬於這一類。考慮到這一點,再加上所有的類太陽恆星將會變成紅巨星,脫離外層,變成碳氧白矮星,我們可能會認為,在大約100萬億(10^14)年後,將只剩下白矮星散佈在宇宙空間中。
這些白矮星會在大約1 - 10千萬億(10^15或10^16)年內保持“白色”,直到冷卻到(通過凱爾文-亥姆霍茲機制)不再發出任何波段的光線,變成黑矮星。這時我們可能會想,這大概就是我們在宇宙中能看到任何光線最後的時間。剩下的就是一片黑暗。
但是近些年我們通過WISE的紅外線調查,發現宇宙中除了我們所知道的所有恆星型別外,還有大量的介於氣態巨行星和品質最小恆星之間的“失敗恆星”。如果我們觀察離地球最近的恆星系統,就會發現一個褐矮星雙星系統!就像兩顆紅色的低品質恆星可以合併成一顆更藍、品質更高的恆星一樣,兩顆低於燃燒氫品質閾值的褐矮星也可以合併成一顆真正的恆星!
兩個褐矮星組成了Luhman 16
那麼最大的問題是,它們何時會合並以及還有其他哪些因素可能會改變它們的命運?由於引力輻射驅動軌道衰變,Luhman 16的褐矮星將需要大約10^60到10^150年的時間螺旋進入彼此併發生合併。據估計,這兩個天體的品質約為太陽品質的4%,因此,當它們合併時就會形成一顆真正的恆星。
但是還有另外兩件事可能會使得這個特殊系統的命運發生變化。
恆星逃離
如果這兩顆恆星處於完全孤立的狀態,它們最終結果只會螺旋地相互靠近並且合併。但恆星大部分時間都生活在一個由一萬億顆(或更多)恆星和恆星屍體組成的星系中。有些時候,一顆恆星會非常頻繁地從這些褐矮星的其中一顆(或兩顆)的旁邊經過,而每一次的擦肩而過都有機會與其中一顆褐矮星更緊密地結合在一起,並把另外一個褐矮星從系統中踢出去!使得恆星發生逃離,這就是速逃星。
當然,這種情況十分罕見,但只要有足夠的時間,即使不可能的事情也會發生。像這樣的事件平均發生的時間尺度大約為10^18年。
天體可以碰撞,產生壯觀的結果!根據碰撞的情況,可能會發生以下幾種情況:如果兩顆中子星相撞,就會產生黑洞和伽馬射線暴。如果兩顆重(碳氧)白矮星相撞,就會產生Ia型超新星。如果兩顆輕(氦)白矮星相撞,它們將點燃氦聚變,產生一顆紅巨星。如果兩個褐矮星相撞,它們要麼產生一個更大品質的褐矮星,要麼產生一個新的m級紅矮星。這樣的事件平均事件尺度為10^21年。
所以,除非兩顆褐矮星軌道非常接近(從尺度上看,小於水星到太陽的軌道)才能避免另一顆發生逃逸,否則即使是在遙遠的未來,兩顆褐矮星也不會發生合併。
但只要褐矮星沒有被驅逐出去,就有可能與其他天體相撞。考慮到宇宙中既會有氦白矮星碰撞和合並,也會有大量褐矮星碰撞和合並的時間尺度為10^21年,我們有理由假設,即使在最後的恆星燃燒殆盡之後,我們也會在遙遠的未來看到偶爾出現的、罕見的新恆星。