当宇宙中的恒星都不再发光,宇宙将会走向何处?

宇宙时空探索 2024-12-01 15:18:03

我们大致了解到,像太阳这般的大质量星体,它们的生命周期多在数十万至数百万年之间,换言之,我们常提及的O型和B型星便是如此。至于像我们太阳这样的G型星,寿命大约在120亿年。更小的M型星,由于氢燃烧得更加彻底,寿命可达数十亿年。而宇宙的年龄迄今为止仅为138亿年,所以星体的生命历程贯穿了宇宙的整个历史以及未来的发展轨迹。在此,让我们从与我们密切相关的太阳燃料耗尽之后,以及当前宇宙标准模型所预测的宇宙命运这两个角度,来审视一下这个宏大的宇宙未来图景。

在探讨宇宙命运之前,我们有必要先考量一下我们自己和地球的命运。

坦白说,我们的太阳实在是太完美了,不偏不倚,不大不小,不热不冷,也并非暴躁无常。它通过极其缓慢的核聚变过程,将氢逐渐转化为氦。而我们有幸诞生在太阳的壮年期,其状态非常稳定。但就目前而言,太阳的亮度比起幼年期已增加了20%。

而且,随着时间的推移,太阳燃烧氢的速度将越来越快。在未来的数十亿年,甚至120年内,太阳会变得越来越亮,温度也越来越高。据推测,到那个时候,海洋的情景可能会像下图所示那般:

温度攀升,海洋沸腾。我猜,这便是我们人类的未来命运,可能在10亿年后,太阳会进入亚巨星阶段。在未来几十亿年里,太阳将持续升温,在50亿到70亿年间耗尽氢燃料,核心将点燃氦聚变。由于核心辐射压力的急剧上升,太阳会膨胀至红巨星阶段,到那时,地球的命运将如何?

这便是我们和地球的未来展望。

然而,这一切仅是浩瀚宇宙中微不足道的一隅。如果我们将目光投向遥远的未来,放眼广阔的宇宙,会问:这一切究竟会如何终结?换言之,宇宙将以何种方式告终?

首先,我们来看看今日的宇宙是何模样。

当你仰望星空,所见的每一个光点,几乎都是一颗恒星(偶尔会有一两颗行星)。其中许多实际上是双星、三星,甚至是星团,而这些星团中的恒星大多拥有自己的行星系统。如上图所示,我们还可看到横跨天空的那条黯淡光带,它正是我们的银河系。

我们用肉眼所能见的成千上万颗恒星,只是构成我们银河系的数千亿颗恒星中的极小一部分。而我们的银河系横跨天空,绵延约10万光年。

事实上,如果我们看得更深更远,会发现星系结构在宇宙各处皆有分布,我们甚至能在一小片天空区域内发现数百个(甚至更多)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,这已成为共识,但像太阳系、银河系和本星系群这样的结构并未因膨胀而分离。后发星系团确实正在远离我们,但它们本身受引力束缚而保持在一起。

换句话说,如果引力已将某些结构束缚在一起,那么目前的宇宙膨胀并未强大到能将它们撕开。

所以,你可能会问,哪些结构会被束缚在一起,哪些又会随宇宙膨胀而扩展。

上图展示的是一个超星系团!英仙座超星系团(与我们所在的室女座星系团相似),直径约1000万光年,包含数千个星系,它们在引力束缚和扩张的边缘摇摆不定。

如果我们进一步观察更大尺度的结构,会发现什么?

在更大的尺度结构上,我们能够看到星系团之间的丝状结构,它们并未受引力束缚。星系团正相互远离!

我们目前所知,正是暗能量导致了宇宙的加速膨胀,距离我们越远的星系,远离我们的速度也越快。

而且,这一切都是基于一个极为关键的假设:暗能量是一个常数,不会变化。

目前,关于暗能量为常数的假设与观测数据高度吻合。我们已经测量到,不管暗能量是什么,它都非常接近于宇宙常数。

我们无法准确预估暗能量未来的情况,它是否会一直保持常数,或者会增加或减少。但可以肯定的是,在上述情况下,目前已被各种力束缚的物质将持续保持现状,而正在加速远离我们的物质最终会消失不见。

这对我们以及宇宙的命运意味着什么?

上图清晰地展示了银河系所在的本星系群,它包含了一些受引力束缚的卫星星系和附近的星团。在未来几十亿年里,图中所有这些星系最终会融合成一个巨大的椭圆星系,而宇宙中的其他星系将继续加速远离我们。

但如果暗能量并非如我们现在认为的那样是个常数,会怎样?在另外两种情况下,又将发生什么?

暗能量减少,宇宙大收缩。

这种情况下,暗能量不仅需要停止当前的行为,而且还需要开始反向作用。如果是这样,我们可能会看到星系加速远离我们,随后突然开始减速,甚至可能逆转方向向我们靠近。这似乎像是人为设计的宇宙“大收缩”命运。

在宇宙的舞台上,有一种力量,名为暗能量,它不断地膨胀,持续加大宇宙间的空隙。根据宇宙学的普遍看法,这种膨胀似乎是恒定的,就像一场永无止境的芭蕾舞,演绎着宇宙的宏大叙事。一个客观事实是,随着时间的推移,我们观测到的远离物体的运动速度似乎在稳定增加。举例来说,每增加大约三百万光年的距离,一个银河系逃离我们的速度就会快上六十公里每秒。在三千万光年之外,这个速度可能达到六百公里每秒;而在三十亿光年之外,速度甚至高达六万公里每秒。这样的增速,使得光速在这其中显得多么微不足道。

然而,倘若暗能量的强度随着时光流逝而持续增长,那么膨胀率本身将不断攀升。到那时,我们所要考虑的,将不仅仅是星体以何种速度离我们而去,而是宇宙中的星系结构是否能够抵御这股力量的撕扯。在膨胀率持续上升的背景下,星系的结构可能会逐渐被暗能量所瓦解。我们想象一下,尽管我们的本星系群努力合并成一个巨大的椭圆星系,但暗能量的上升趋势可能让这场合并徒劳无功。

假设这一情景成真,最外围的恒星,那些与星系中心联系最弱的个体,将最先被抛离星系。随着暗能量的进一步增强,哪怕是最靠近星系中心的恒星也难逃一劫,最终形成的将是由分散的恒星系统组成的不断膨胀的宇宙。届时,类似太阳系这样的恒星系统可能成为宇宙中最大的结构。

你可能会疑惑,太阳系这样的结构足够紧密,引力作用足够强大,它会安然无恙吧?但暗物质所带来的膨胀率并不会因为星系的毁灭而止步。在这股力量面前,无论是行星、卫星、彗星、小行星、气体还是尘埃,甚至是恒星,都可能被一并撕裂。最外围的天体将最先被抛出各自的恒星系统,而后,哪怕是最靠近恒星的行星,也将被抛入浩瀚的星际空间,彼此渐行渐远。

但即便如此,你还得记住,我们人类自身,也是由原子构成的。结构的破碎远不止于此。暗能量的膨胀最终可能会达到一个惊人的地步,以至于从恒星到行星,再到单个的原子,所有的结构都将不复存在。在宇宙生命的最后一刹那,亚原子粒子也会从原子中被撕裂出来,而宇宙将以一场空前的大撕裂作为终结。

但此刻,你大可不必忧心忡忡。目前的科学观测并不支持大撕裂这样的情景。并且,根据我们所能获取的最精确的测量结果,暗能量似乎确实是一个恒定的宇宙常数。也许,我们更愿意相信,宇宙将持续其无尽的膨胀,直至无尽的未来。

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简介:用通俗的语言诠释科学