天文太空

恆星,很久很久以後... ...

有些人或許認為宇宙璀璨輝煌的年代早已過去,但它其實仍蘊含著無窮的生機。在未來的億兆年裡,宇宙將展現出全新型態的天文現象。

撰文/葛史密(Donald Goldsmith)
翻譯/李沃龍
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天文太空

恆星,很久很久以後... ...

有些人或許認為宇宙璀璨輝煌的年代早已過去,但它其實仍蘊含著無窮的生機。在未來的億兆年裡,宇宙將展現出全新型態的天文現象。

撰文/葛史密(Donald Goldsmith)
翻譯/李沃龍
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重點提要
■雖然星系與恆星大量形成的輝煌時代已經過去,但宇宙依然相當生氣蓬勃。未來,恆星將隨著其組成的演化而逐漸改變外觀。
■恆星與行星系統將崩解潰散,而像由氦構成的緻密天體這類目前非常稀有的天體,將變得普遍。從某種角度看來,未來的宇宙或許更適合生命的存在。
■研究很久很久以後的宇宙是個饒富趣味的課題,它就像個知識寶庫,讓天文物理學家了解天文理論與觀測的真正涵義。

時間似乎將永無止境地流動下去,因此激發了我們去想像很久很久以後的宇宙會是什麼樣子。通常,這會是一幅陰森恐怖的圖像:50億年後,太陽將膨脹成一顆紅巨星,在逐漸黯淡消逝前,吞沒整個內太陽系。但這只是整個未來很微不足道的一部份,當天文學家看著未來「5兆7600億年」時,就像英國知名的幽默諷刺文學泰斗亞當斯(Douglas Adams)在《宇宙盡頭的餐廳》裡所敘述的一樣,他們遇見一個到處都在緩緩褪色而逐漸消逝於無形的場域。在那之前,空間的加速膨脹早已把位於我們星系之外的一切事物,驅趕出我們的視線範圍,僅留下一個虛無的夜空。拜倫爵士(Lord Byron)在他1816年的詩〈黑暗〉裡,就曾經描述這樣一幅天上荒地的景象:「豔陽熄滅,而群星在幽暗的永恆空虛中流離失所。」


不過,仍然有好消息:即將降臨的幽暗,只佔了整篇故事的一半。恆星形成最光輝燦爛的歲月,確實早已過去,但宇宙仍有生機。奇妙的珍禽異獸即將進入天文動物園裡,目前覺得很稀奇古怪的現象,日後將變成平常不過的例行公事。如果有什麼差別的話,那就是宇宙中有利於生命生存的環境,或許將變得更常見。


科學的末世論是對遙遠未來的研究,這在宇宙學和物理學中是個歷史悠久的課題。除了題目本身令人著迷,這項努力也為新理論提供了一個觀念測試的園地,以及落實抽象概念的機會。空間的形狀是最抽象的概念之一,但在宇宙學家描述它和宇宙命運的關聯後,此概念就比較容易理解了。想要調和關於基本粒子與作用力等全然不同的理論的物理學家,也預測了像質子衰變與黑洞蒸發這類只會發生在億兆年甚至更久之後的現象。漸漸的,天文物理學家也把遙遠的未來,擺入他們關於恆星與星系演化的模型之中。過去10年裡,他們試圖重新建構大霹靂後恆星和星系的形成與組成的變化情況,對過往有了更多了解,並能夠推演遙遠的未來。


恆星形成率逐漸降低

美國加州大學聖克魯茲分校的恆星形成專家勞夫林(Greg Laughlin)是這方面研究的先驅之一。他在當研究生時,寫了一個電腦程式來計算極低質量恆星的演化,卻忘了要程式在演算到宇宙現今的年齡時停止。該程式依其自身的演算機制不斷計算,結果產生了億兆年後的未來預測。預測結果雖然錯得離譜,卻已足以讓他對此議題深深著迷了。


想知道恆星的未來,得先了解它們是如何形成的。恆星誕生於氣體與塵埃所形成的星際雲氣,而雲氣的質量約是太陽的數十萬至數百萬倍。這些恆星育嬰室散佈於銀河系各處,已經製造出數千億顆恆星,而且將再產生數十億顆恆星。不過這項成果卻毀了未來:製造新恆星所需的原生材料會消耗殆盡;即便死於超新星爆炸的大質量恆星會將部份材料歸返回星際空間,甚至星系也能從星系際空間裡吸積新鮮的氣體做為新的原料,但都不足以補足那些被鎖在恆星裡的物質。目前,銀河系裡的所有星際氣體,只相當於恆星質量的1/10左右而已。


今天,銀河系每年約有一個太陽質量的物質形成了恆星,但在80~100億年前的高峰期,每年形成恆星的物質至少是現今的10倍以上。勞夫林估計,宇宙年齡每增加10倍,恆星形成率就大約下降10倍。因此,在宇宙年齡1000億歲時,它會減緩成現在速率的1/10,而到一兆歲後,恆星形成率就會只有現在的1%左右了。


雖然如此,重大的變化仍可能打斷恆星邁向凋零的穩定步調。例如,身處銀河系的我們,將很快(就在數十億年後)面臨向我們猛衝而來的仙女座星系,它是離我們最近的巨型螺旋星系。這兩個星系緻密的中央區域將互相碰撞,或環繞彼此的質心。它們的交互作用將產生仙女銀河系(Milkomedia),星際氣體與塵埃受到劇烈擾動,因此仙女銀河系的創生將短暫地振興恆星的形成,製造出天文學家所謂的星爆。在這爆發性的成長終止後,合併的系統將非常類似橢圓星系,那是一個成熟的系統,可以形成恆星的材料很稀少,因此恆星形成率低落。


除了形成的數量較少外,未來的恆星將反映出原始材料發生的變化,以及此變化造成的效應。大霹靂熾熱的火爐鑄造出氫、氦與鋰,所有的重元素則皆由恆星本身製造,通常是來自它們生命的晚期——若非來自於老年脫卻外層氣殼的紅巨星,便是出自超新星爆炸。紅巨星提供較輕且數量較多的重元素,例如碳、氮與氧;超新星產生的重元素則可到週期表上的鈾,種類較多。這些重元素和已經存在於星際氣體裡的元素混在一起,使得未來的恆星在誕生時便含有更豐富的材料。太陽的年齡有50億歲,算是相對年輕的恆星,它所含重元素的豐度是100億年前所形成恆星的100倍;的確,有些最古老的恆星幾乎不含任何重元素。隨後幾個世代的恆星將包含更多重元素,而這會改變它們內部的運作與外貌。


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2012年第122期4月號】