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宇宙的最后一道余暉
圖片來源:NASA、ESA、G. Bacon (STScI)
“即便是最微弱的亮光,也能讓黑暗無法立足。”——唐納德·L·希克斯
圖片來源:NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee、P. Oesch (圣克魯斯,加利福尼亞大學)、R. Bouwens (萊頓大學)、HUDF09 小組
宇宙深處,光明之源無窮無盡。似乎我們看得越遠,看到的就越多。無論是哪里——銀河系中心、星云和星團、河外星系,甚至是空無一物的天空,不計其數的發光天體包圍著我們,而這些光幾乎全部來自恒星。
圖片來源:Jean-Charles Cuillandre (CFHT) 和 Giovanni Anselmi (Coelum Astronomia)、夏威夷星光
但是盡管銀河系有那么多恒星(大約4000億顆),可觀測宇宙有那么多星系(至少1700億個,甚至可能更多),滿天的星光卻注定會越來越稀疏。在遙遠的未來,最后一個光子也會從視線中消失,黑暗終將勝出。
圖片來源:科學照片庫 / Take 27 Ltd
主宰宇宙的是“暗能量”
在我們的宇宙中,物質并不是起決定性作用的能量形式。構成我們的普通物質,加上比普通物質多出大約五倍的暗物質,也僅占宇宙能量形式總和的三分之一,其他三分之二是暗能量——這似乎是一種空間本身固有的能量形式。
圖片來源:透視宇宙 / Jeffrey O. Bennett、Megan O. Donahue、Nicholas Schneider、Mark Voit
暗能量大約六十億年前開始主宰宇宙的膨脹,它讓遙遠星系遠離我們的速度越來越快。漸漸地,這些星系離我們越來越遠。呈指數級擴張的空間,使這些星系當前發出的光永遠無法到達地球。
大約1000億至1500億年后,當其他星系在暗能量作用下消失在漆黑的宇宙中時,我們本星系團的仙女座星系、銀河系、三角座星系、大麥哲倫云以及四五十個矮星系——則會合并成一個巨大的橢圓星系——銀河-仙女座星系。因此夜空中仍然會有繁星,但這也只是暫時的。
圖片來源:NASA、ESA、Z. Levay、R. van der Marel (STScI)、A. Mellinger
宇宙中恒星的燃料將耗盡
現今宇宙中恒星誕生的速度已經遠不如從前,只有數十億年前高峰期的3%。銀河系和仙女座星系合并時,會引發巨大的星爆,迎來產星高潮。但星爆過去后,恒星誕生率將急劇下跌。
圖片來源:Kunihiko Okano 圖庫
恒星生命結束時,質量大的會變成超新星。中等的會拋掉外殼,變成行星狀星云。內核則坍縮成碳-氧白矮星。今天的超新星和行星狀星云會留下大量未經使用的燃料——氫和氦——它們足夠新恒星今后數萬億年之用。但燃料終會有用盡的一天,恒星誕生率會在十萬億年內持續下跌,產星區和可供利用的氣體云將越來越少。遙遠的未來,新星的誕生將成為一種極為罕見的現象。
圖片來源:兩微米全天巡天(2MASS)
小個子最長壽,質量最小的恒星也活得最久。質量最小的恒星通常被叫做“紅矮星”。紅矮星的燃料足夠它燃燒20萬億年。在它生命結束的時候,一切都很平靜,沒有破壞性的超新星爆發,也不會拋出外殼。紅矮星內的氫將100%轉化成氦,然后坍縮成氦白矮星。
圖片來源:E. Siegel
十年前,我們仍然以為數量最多的恒星是M級恒星(紅矮星)。在宇宙中,每四顆恒星中就有三顆是紅矮星。100萬億年后,宇宙中可能充斥著碳-氧白矮星和氦白矮星。由于白矮星的“白熾”狀態在冷卻到我們無法看到前,要經歷1千萬億至1萬萬億年,所以只要它們還沒有冷卻,宇宙仍不至于陷入徹底的黑暗。
圖片來源、NASA、JPL-Caltech、UCLA、WISE 探測器
但是新的觀測結果表明,宇宙中還存在著大量的褐矮星。
褐矮星是“失敗”的恒星。真正的恒星和褐矮星的區別,是前者能把氫聚變成氦。要到達發生聚變的臨界,溫度就必須上升到四百萬度。要獲得這么高的溫度,天體的質量就必須達到太陽的7.5%至8%。
圖片來源:NASA、JPL、雙子座天文臺、AURA、NSF。這是兩顆構成 Luhman 16 天體系統的褐矮星
天體能夠發生合并。如 Luhman 16 恒星系統中的兩顆褐矮星,在引力的驅動下,它們的軌道會逐漸衰減,最終會在10^60至10^150年內發生合并。由于它們的質量分別是太陽的4%左右,所以合并后新的天體將達到核聚變的臨界點,產生一顆真正的恒星。這樣的機制會推遲終極黑暗的到來。
但宇宙中同時也充滿著大量不確定因素。天體合并雖然可行,但概率極小。
圖片來源:J. Walsh、Z. Levay、ESA、NASA
暴力擾動
假如恒星系統是孤立的,那么它們只要沿著螺旋軌道慢慢接近就好了。但是現實中恒星通常都位于巨大而擁擠的星系中,那里有數萬億恒星和恒星尸骸。因此別的恒星有可能以極近的距離上從它們身邊掠過,由此帶來的引力擾動很可能把它們踢出星系。
此類事件發生的概率大約是每10^18年一次。
圖片來源:Dana Berry、數字天空作品公司
巧合因素
的確,天體能夠發生合并,比如:
中子星相撞會變成黑洞,并產生一次伽瑪暴。
重白矮星(碳-氧)相撞會引發Ia型超新星爆發。
輕白矮星(氦)相撞會引發氦聚變,產生一顆紅巨星。
褐矮星相撞既有可能產生一顆更大質量的褐矮星,也有可能產生一顆M級紅矮星。
但這樣的合并事件發生的概率大概是10^21年一次。而且只有兩個天體靠得非常近(大約比水星和太陽間的距離還要近),這種事情才有可能發生。
圖片來源:Janella Williams、賓夕法尼亞州立大學
但是雖然概率很低,只要條件合適,我們還是可以在極其遙遠的未來,在太空中看到到新星。它們產生的原因,有可能是兩顆氦白矮星的相撞,也有可能是兩顆褐矮星的合并。
但在那時,這將是一種極為罕見的現象。或許那時候還有行星,或許那時候還有孕育著生命的有機質。它們在漆黑而寒冷的宇宙中等待光明的到來。但是這顆能夠給我們帶來希望和機遇的恒星,這顆能夠讓我們回憶起宇宙往事的恒星,可能是茫茫太空中唯一的一顆恒星。
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