大爆炸-宇宙通史-第11部分

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　　　　温度还在无情地攀升，到至今30亿年的未来，将达到一个关键点。太阳将比现在亮40％，因此地球表面上的所有水分都被蒸发掉了，海洋消失了，我们的世界将变成炎阳炙烤下的炼狱。
　　　　如果在地球环境如此剧变的时候，人类仍然存在，这些我们的遥远后裔将如何应对呢？这些变化初露端倪就会被探测到，警铃就会拉响，但即便是高度发达的文明也不太可能控制太阳。毫无疑问环境变化应对委员会将召开会议，但是议程表上该怎么写？把地球移动到一个更安全的位置或许是可行的，但正如我们后文将要讲到的，这也不是永久的解决之道。或许可以把地球整个从太阳系中移出，并且尽量让它能自给自足，这样生命就能在没有太阳的环境中存活。如果这实施起来困难太大，人类可能会考虑大规模地移民到别的地方去到另一个太阳系或者建造一个巨大的、自给自足的空间站来收留幸存者。
　　　　如果人类只能束手无策，随着时间的推移，整个地球很可能变成一片熔融而滚烫的岩浆世界。一切都不能幸免，最终所有的生物都将被一笔勾销。火星将变得比现在热得多，它那巨大的极冠（由二氧化碳和水组成）也将开始融化。大气也开始形成，短期内大约几千万年的时间里，火星会暂时成为一处宜居的处所。但是这种环境不会保持很长时间。火星太小了，引力太弱而不能长期保持住在它表面刚形成的大气。
　　　　有人提出人类可以找到一个避难所土卫六，土星最大的卫星，它有着富含氮的稠密大气。可惜，事实绝非如此。土卫六的表面大气逃逸速度很低，之所以能保有大气是因为它非常寒冷，因为在低温下，气体分子的运动速度也很低。如果温度上升，哪怕仅仅只有几度，土卫六的整个大气就将消散无踪。
　　　　在接下来的5亿年里，太阳将膨胀到现在的两倍大，尽管表面温度会降低，但它的光度将增加一倍。地球的轨道也会受到影响。太阳发出的恒星风将大大增强，质量不断损失，进入了红巨星阶段。质量变小意味着太阳的引力将减弱，相应地，行星轨道会向外扩展。地球将移动到距离太阳2亿千米处当然，离它逃离炽热太阳的炙烤还远得很。

红巨星的太阳

　　　　展望更遥远的未来，大约离现在50亿年，太阳核心的氢将燃烧完毕，再也没有氢剩余下来它们全都在核反应的过程中被转化成了氦。核心突然失去了由核反应释放出来的辐射压力的支撑，在强大的引力作用下，坍缩不可避免地开始了。外层物质轰塌而来，压缩了核心并且加热了物质。直到现在，氦原子核还没有参与核反应。然而，在几秒钟的时间里，温度就将升高到足以触发新一轮的核反应的程度：氦原子核聚合形成铍原子和锂原子。这个核反应的效率要高得多，其后太阳的辐射将比现在强2000多倍，而且它的体积将急速膨胀，并将水星和金星吞没其中。太阳，终于变成了一颗红巨星。
　　　　在演化过程中的某一阶段，红巨星的太阳变得不稳定起来。通过一系列剧烈的脉动，它的外部包层被吹离到遥远的星际空间中，形成所谓的“行星状星云”。
　　　　需要指出的是，行星状星云和行星毫不相干，它只是一颗演化到了晚期的恒星抛射出的外包层。它们是宇宙中难得的奇观，有着绚丽多姿的美丽外表，但存在时间却只有几万年。其中最着名的是天琴座环状星云（M57），用一架小型望远镜即很容易地找到它，因为它正好位于两颗肉眼可见的恒星天琴座　和天琴座　的中间，靠近明亮的织女星，甚至用中等口径的双筒望远镜也能看到它。在望远镜中看，它像是一个发着微光的圆形轮胎。M57看上去是对称的，但是别的行星状星云的形态却千差万别，令人眼花缭乱，它们的形状取决于物质从中央恒星处抛射出来的确切物理过程。目前看来最常见的形状是沙漏形，即大多数物质都沿着恒星磁场的轴线方向分布。根据这个模型，行星状星云既可以是沙漏形的也可以是环形的，取决于我们看到的是它的侧面还是正面。粗略地讲，这一模型是准确的，但是还有许多细节有待于更详细的解释。从化学上看，行星状星云是宇宙中最令人感兴趣的区域之一。行星状星云形成的早期，在中央恒星发出的光辐射的作用下，形成了许多复杂的分子。

白矮星坍缩了的太阳

　　　　同时，回过头来看中央恒星，既然可供燃烧的燃料都耗尽了，就再也没有什么能阻碍恒星在它自身引力作用下的坍缩了，而且这种坍缩发生得非常快速。最终，恒星的密度变得如此之大，导致一种新的抵抗力简并压力的产生，开始发挥作用并与引力相抗衡。简并压力的产生是“不相容原理”的结果，这是量子力学理论中的一条基本原理，即不可能有两个粒子能处于同一种状态下，也就是说，如果两个具有相同的电量、质量和能量的粒子靠得太近，它们就会互相排斥。恒星会一直坍缩，直到简并压力和向内挤压的引力恰好达到平衡为止。在这个新状态下的恒星成为一个比地球还小但是密度却高得令人难以置信的致密球体，称为“白矮星”。一勺白矮星的物质即重达数吨。到这一阶段，地球将退离至距这个能源耗尽的太阳的虚弱残骸2。7亿千米的地方。
　　　　接下来的命运又将如何？答案是“变化不大”。白矮星是资源枯竭的恒星，它没有能源，能做的唯一一件事就是在微弱的辐射中慢慢变暗，最后变得和周围环境温度相同。它变成一颗冰冷、暗淡的黑矮星所需要的时间之长超乎想象，事实上，相比之下宇宙都显得太年轻，还没能形成一颗黑矮星。或许我们的太阳将定格为一颗微小的、死亡的黑矮星，但仍然被残存的行星所环绕。

中子星和黑洞

　　　　质量较大的恒星的结局则有所不同。尤其是当恒星质量很大时，它的核心变成白矮星后，质量仍超过了所谓“钱德拉塞卡质量”，即1。4倍太阳质量，这时量子简并压力也不足以和引力抗衡了。相反，引力是如此巨大，以至于质子和电子都被挤压在一起，变成了中子，恒星成为一颗“中子星”，它的密度比白矮星还要大得多，一勺中子星物质的质量就与全人类的总质量相当！中子星个头极小，直径不超过15千米，但它们的平均质量高达太阳质量的1。5倍。如果你能站在一颗中子星的表面，你的重量将达到百亿吨的量级。中子星实际上也是超新星遗迹中最常见的天体。我们看到的神秘天体脉冲星，其实就是中子星的一种伪装。
　　　　在超大质量的超新星爆发事件中，中子星也不是快速坍缩的恒星核心的最终结局。一旦它的核能被耗尽，坍缩开始了，但这次它是如此猛烈，以至于没有什么能阻止它。恒星不停地坍缩、坍缩，变得越来越致密，经历了中子星阶段也不会停止。在此过程中，逃逸速度不断增加。任何质量小于8倍太阳质量的恒星都将以白矮星或中子星的形式结束它的一生。如果恒星的质量比这更大，坍缩将势不可挡，正如我们已经看到的那样，一颗黑洞由此而生。

脉冲星

　　　　脉冲星是快速旋转的中子星，在我们看来它们是射电脉冲的源头，每秒钟有几个脉冲到达地球。我们已经介绍过了角动量在行星形成中所扮演的角色，在这里，它也同样重要。当恒星物质在坍缩形成中子星时，它携带着角动量，就好像滑冰者把手臂收起来后就会增加旋转速度一样，正在形成中的中子星也自转得越来越快。一旦坍缩过程完成，脉冲星就将以基本稳定的速率自转。现在人们已经发现了许多每秒转动上千次的脉冲星，它们大多数都很年轻。随着时间的推移，中子星的旋转将会慢慢减慢。
　　　　脉冲从何而来？从环绕着中子星的物质中发出的辐射被限定为靠近两极的狭窄射束。随着星体的旋转，射束不时扫过地球，就像海里的灯塔发出的光束瞬间扫过远处的船只或海滩上的行人一样。当射束正好指向我们时，我们的望远镜就探测到了一个脉冲。
　　　　脉冲星是宇宙中最精确的时钟。在一种我们尚不明确的、发生于星体内部的物理过程的作用下，它们的自转偶尔也会发生突变，但除了这种偶发事件以及自转的长期变慢之外（在极其长久的时间尺度里），它们非常守时。因此它们为天文学家们提供了独一无二的时间实验室。还有些极为罕见的“双脉冲星”系统，我们将在后文中详细介绍。已有报道称在脉冲星周围发现了行星，有人就提出这些行星可能是造成脉冲星自转周期轻微变化的原因。然而，很难解释行星是如何在导致脉冲星形成的那次超新星爆发中幸存下来的。
　　　　记住，我们讨论的是恒星核心的演化，事实上恒星外层发生的过程更加剧烈。当坍缩突然停止时，外部包层被反弹回去，释放出极其巨大的能量，这就是超新星爆发了。

碰撞的恒星世界

　　　　和太阳也会变老一样，遍布于宇宙中的年老恒星也会衰亡，新的恒星将诞生。星系也是在演化和运动中的。我们的本星系群只包含3个主要的大星系，仙女座旋涡星系、三角座旋涡星系和银河系。其中仙女座星系最大，三角座星系最小。仙女座星系距离我们200万～300万光年之间，是离我们最近的星系，它被银河系和它之间的相互引力束缚，以300千米每秒的速度向我们靠近。因此，在大约30亿年之后，在我们所处的这个宇宙的角落里将发生一件惊天动地的事：两个巨大的星系将碰撞在一起。
　　　　如果一个小星系和一个大得多的星系相撞，那么它将简单地被吸收掉，并且通常完全丧失掉它的独立特征。碰撞中，它的边界被潮汐力完全打乱，每次当它靠近那个大星系时，其中的恒星将被逐个剥离出去。两个大型星系碰撞时的情况则大不相同。
　　　　也许最好在这里说明一下，尽管我们在讨论两个星系的碰撞，但我们并没有暗指单颗恒星也会撞到一起。恒星之间的距离记得太阳和它最近的邻居（半人马座比邻星）间的距离超过了4光年太大了，以至于恒星碰撞是极其罕见的事，即便在两个星系碰撞的混乱环境中也是如此。
　　　　碰撞将持续数十亿年。如果计算机模拟是可靠的话，仙女座星系将首先摇摆着经过我们的银河系，对任何现场的观测者而言，那个小光斑将变得越来越大，直到碰撞开始发生时，它已成了夜空中的主宰。随着两个星系里储存的气体碰撞在一起，引起的激波触发数以万计的新恒星形成，其中许多都将位于明亮的星团中，星团被炽热的蓝色恒星主导。
　　　　许多大质量恒星（因此年龄很短）的诞生，意味着超新星爆发将会非常普遍，它们爆发产生的激波将触发新一轮更大规模的恒星形成。天空将被炽热闪光的气体和尘埃云弄得一团糟。在仙女座星系经过银河系之后，其中剩下的物质在头前尾后地插进银河系以前的核心之前，将花费大约1亿年形成一个宏大的U形。许多物质就像长长的尾巴那样留在后面，但随着时间推移，它们也将掉进中心里去，结果大概会形成一个巨大的椭圆星系。最终，银河系中心的黑洞与仙女座星系中（那个几乎必定位于中心）的黑洞，很可能短兵相接，碰到一起。
　　　　通常人们相信，两个黑洞碰撞到一起将形成一个质量更大的黑洞。同时也必将发出密集的辐射，与之相伴的还有所谓“引力波”。

引力波

　　　　引力波是爱因斯坦广义相对论的一个预言，可以理解为空间本身的“涟漪”。只有在最高能量的事件中，引力波效应才能达到较为显着的程度。但即便在那些情况下，这些效应也十分微弱，引力波至今仍然没有被探测到。人们已经做了许多尝试，但是要探测到我们周围空间的波动效应，需要令人难以置信的精度相当于要以小于一个原子核的大小的精度，来测量一根1英里长的棍子的长度。或许最有希望的探测手段是利用卫星，目前正有许多项目计划在酝酿中。探测引力波将使我们得以了解一系列全新的物理环境和天体，其中包括宇宙中一些极为罕见的现象。
　　　　尽管我们还没有探测到引力波，但从一类称为（也是我们已知的唯一一类）双脉冲星的系统两颗互相绕转的致密的中子星中，已有了显着的证据表明了它的存在。由于这些令人惊异的天体发射出极其规则的能量脉冲，可以穿越遥远的宇宙距离，因此我们能够以极高的精度获得它们的轨道时间。天文学家们已经发现，双脉冲星正旋转着互相靠近对方，这意味着必定正有能量从系统中丧失。散失的能量，与理论预言中以引力波的形式释放出的能量吻合得相当好，但除非我们测量到引力波本身，我们还不能确定已得到了答案。

末日？

　　　　无论星系中心的黑洞会发生些什么，到现在为止，地球早已不是一个宜居的世界了，而且，太阳作为一颗光芒四射的恒星的日子也接近尾声了，它甚至可能已经变成了白矮星。我们不可能亲临现场一睹它的状况又有谁可以做到呢？
　　　　星系碰撞时释放出来的大量能量是很危险的，例如其中的X射线，我们赖以生存的植物将被淹没在高能辐射中，辐射将摧毁新陈代谢作用并破坏活体细胞。这种辐射或许足以扫除哪怕科技最为发达的文明。我们能确信的一点是，最终狂暴的活动将减弱，新形成的星系会安静下来。在碰撞中，绝大多数气体都在新恒星的形成过程中消耗掉了，因此恒星形成率也会达到峰值。也许最后的结果将是一个祥和而安定的世界，但也是毫无生机的。
　　　　从现在起，这些猛烈的过程将一直持续贯穿于接下来的50亿年中恒星死亡、诞生，超新星爆发和星系碰撞。最显着的长期变化是，星系团之间的距离逐渐增加。我们正缓慢但是却无法逃避地卷入宇宙那漫长的演化中去。

第七章　宇宙的结局　大爆炸后187亿年向前

章序

　　　　宇宙的最终命运是什么？现在还很难在一系列可能性中给出选择，但是答案必定依赖于宇宙中两个博弈量的相对强度