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[天之文]宇宙的终极命运
发布于:2018-12-04 11:56:28    文字:【】【】【

  

  从今天算起大约50亿年后,太阳将演化成为一颗胀大的红巨星,赫然悬挂在烤焦的地球上空。太阳临近死亡只不过是宇宙走向命定结局过程中一个较早的大事件。(图片来源:RON MILLER)

  人们常问的两个最具挑战性、也最有争议的问题是:“我们从哪来?”、“又往哪去?”我们控制不住地想把这些疑问穷究到底——冥思苦想宇宙的起源和结局其实就是这些问题被分别推广到可以想象的最小与最大尺度上的表现。过去数十年的观测使天文学家对宇宙大爆炸及其直接后果有所了解。然而,宇宙的命运仍是一个棘手的问题。它最终是在“大挤压”中坍缩,还是在“大撕裂”中四分五裂(时空本身在此过程中也被完全毁坏),亦或是永远膨胀下去、直至所有恒星和其它能量源逐渐消逝?

  让我们开门见山地说吧。根据目前所掌握的知识,科学家还无法确定哪一种才是宇宙的结局。这是因为他们对宇宙的两大重要组成部分还一无所知:使时空加速膨胀的外向压力——暗能量和构成宇宙结构的未知物——暗物质。实际上,无论过去还是现在,没有一个宇宙学观测揭示出宇宙的终极命运。要想回答这一问题,科学家需要将阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论(在物理学最大的尺度上指挥着宇宙的行为)和量子力学(控制着极小尺度上的物理过程)统一到一个理论框架中,并与观测相结合。

  虽然从科学的角度看,我们对宇宙的未来还缺乏清晰的图景,但在宇宙走向命定结局的过程中,不少有趣的现象将会上演,特别是在接近我们世界的末日的时候。例如,天文学家确信银河系有朝一日将与邻近的星系相撞,地球的大限也屈指可数。常言道,享受过程和达到目的一样重要。

  

  从今天算起大约39亿年后,银河系(右)和仙女座星系(左)将会相撞。现在,巨大的潮汐力已经使两个星系的外侧旋臂翘曲。(图片来源:NASA/ESA/Z. LEVAY AND R. VAN DER MAREL(STScl)/T. HALLAS/A. MELLINGER)

  过去是未来的序幕

  根据迄今为止最好的观测——由欧洲空间局的普朗克卫星和美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器给出的精确度好于1%的观测结果,我们的宇宙在过去138亿年里一直在膨胀。这一结论是仔细研究宇宙微波背景辐射(简称CMB)后得出的。CMB是天文学家能观测到的最古老的辐射。它产生时,宇宙年龄大约是38万年。

  此前,宇宙中的绝大部分光子因为与粒子——尤其是电子——频繁碰撞而不得自由。就像参加德贝撞车赛的汽车一样,光子走不了不远便会与粒子相撞。当宇宙演化到38万年,它已经冷却到足够低的温度,质子可以捕获电子,进而形成第一批中性氢原子。这一过程大大减少了与光子碰撞的自由电子数目。

  宇宙学家说,结果是光子终于摆脱了物质,开始在宇宙中自由穿梭。这就是科学家看到的CMB。再后来,CMB光子随时空的膨胀而伸展、冷却,如今它的温度已经下降到微波波段了。

  CMB在全天各处的温度几乎完全相同。这给理论学家出了个难题。因为位于宇宙两端的区域相隔如此遥远,它们发出的CMB光子完全无法联络彼此。

  为了解决这一问题,还有其它问题,物理学家认为宇宙诞生后曾在极短的时间里急速膨胀(暴胀)。在快速膨胀前,宇宙的个头不是很大,两端的区域可以有因果联系——距离近到可以发生相互作用——它们的物理性质因此也就能够保持一致。当可观测宇宙演化至10的-36次方秒,它的个头突然从比质子还小数十亿倍快速膨胀到拳头那么大,近乎平均的物理性质也就随之被锁定下来。

  暴胀过后很久、发生退藕之前,普通物质与暗物质、暗能量一起主宰着宇宙。虽然物理学家还不知道暗物质为何物,但他们最好的猜测是暗物质是一种大质量粒子。除了引力,它和其它物质没有任何相互作用。科学家认为暗物质奠定了我们今日所见的宇宙结构的最初基础。它放大了在暴胀中幸存下来的密度微小涨落,使致密区域更加致密、稀疏区域更加稀薄。

  退藕之后,宇宙一片黑暗。随着时空膨胀,宇宙平稳地冷却降温。多亏宇宙里所有物质贡献的引力,时空膨胀持续减缓。暗物质把普通物质聚集起来形成恒星,为宇宙带来光明。第一代恒星发出的紫外辐射电离了弥漫在宇宙各处的中性氢气体,同时也开启了反馈机制,把简单的宇宙塑造成如今这般高度结构化的宇宙。

  接下去,大约50亿年前,宇宙的行为开始变得古怪。出乎意料地是,宇宙开始加速膨胀,而且自那时起它就一直加速膨胀着。

  黑暗一面的故事

  天文学家是在利用某类超新星研究遥远宇宙时发现宇宙正在膨胀的。Ia型超新星是彻底毁灭的白矮星。由于此类超新星爆发时释放出的能量相同,天文学家可以借此推算出它的光度。这就好像你预先知道灯泡的功率一样。美国新泽西州普林斯顿大学的天体物理学家David Spergel解释说:“如果你知道一个灯泡有多亮,通过观测到的流量值,你就能计算出它离你有多远。”远处的Ia型超新星看起来比近处的同类超新星黯淡,所以前者离我们更加遥远。

  科学家把导致宇宙平稳膨胀的罪魁祸首——一种外向压力——称为暗能量。在宇宙膨胀的同时,引力(可被视为一种内向压力)可以让膨胀减速。但是物质因为宇宙膨胀而逐渐四散分离,引力的减速作用也渐渐势微。而暗能量的外向“压力”似乎不受膨胀影响,仍然保持恒定。因此,暗能量的重要性逐渐超过物质,致使宇宙加速膨胀。今天,暗能量占了宇宙全部物质的68%,而且所有迹象表明它的作用将会继续增大。

  宇宙学家构造了一个状态方程来描述暗能量压强与其能量密度的关系。方程特征参数w的取值可能有3种。“如果w等于-1,宇宙将一直膨胀下去,”Spergel说。“如果w大于-1,随着宇宙膨胀,暗能量将随时间减少,其作用也会减弱。”加速膨胀将会减慢并最终停止下来。宇宙的膨胀也会逐渐减慢,直到物质重新夺过控制权。

  不过,w的取值还有第3种特别不招人喜欢的选项。如果w小于-1,即暗能量的压强随时间增加,那么宇宙将会膨胀得越来越快,直到时空本身也在“大撕裂”中被扯成碎片。举个例子,如果w值接近-1.5,宇宙将在从今天算起220亿年后灭亡。在那个最终时刻到来之前10亿年,星系团将消亡。在那之前6千万年,银河系将被撕扯得四分五裂。太阳系将会幸存到最后3个月,行星则能够坚持到大约最后半小时。

  “目前,我们知道w的值接近-1,“Spergel补充说道,“但我们对这个值还非常不确定,以至我们仍然不知道宇宙的最终命运到底是上面三种中的哪一种。”

  因为科学家实际上并不知道暗能量到底是什么,它完全有可能是一种自我限制的现象。同暴胀类似,w的值可能保持了一会儿,后来就发生变化、甚至完全消失。又或者它的值在未来可能增加,使膨胀的宇宙转而开始收缩,直到终结在激烈的“大挤压”中。“未来某个时刻,暗能量的行为可能和现在不同,从而改写了宇宙的最终历史。这是完全有可能发生的事。不过,我们可能永远无法真正知道未来到底会如何,”美国伊利诺斯州Batavia市费米实验室的天体物理学家Dan Hooper如此说道。

  

  根据现有知识,上图标出了宇宙从炽热的年少时期走向冷寂的生命终点过程中的几个关键时刻。 虽然暗能量直至最近才开始发挥主导作用,但它却决定着宇宙的未来。最重要的问题是暗能量如何行为,以及它会带来什么影响。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY, AFTER FRANCIS REDDY)

  或许,暗能量不过是一个错觉,是广义相对论在极大尺度上不再成立所引发的幻象。无论怎样,我们在未来10年或20年对暗能量的认识将震动整个物理学,也将彻底改变我们的时空观。

  转回头来看未来

  虽然仍不十分确定,但天文学家已对未来几十亿年里将要发生的事有了一些把握。在那之后,“新物理学”——当今科学家猜测的由粒子和物理过程参与的某些相互作用——也许将主宰宇宙。

  

  红矮星的一生:质量最小的恒星——暗弱的红矮星——活得最久,因为它们以悭吝的速度燃烧着自身的能源。它们之中最小的,质量仅有太阳质量的8%,却能存活11万亿年。(图片来源:ASTRONOMY: ROEN KELLY)

  首先,地球将被炙烤。现在,太阳的平均光度每过1亿1千万年便会升高1%。10亿年后,不断增长的能量将使太阳系的宜居区——允许液体水稳定存在于行星表面的区域——向太阳系外围移动。届时,身处宜居区炽热内边界的地球将经受高温的折磨。

  经过50亿年,太阳将演化进入红巨星阶段。到那时,火星将处于宜居区的中心位置。精明的地产投资商们也许会跑到太阳系内的一众冰封卫星上面大量收购海景房以获利。接下去的数十亿年里,太阳将化身为一颗成熟的红巨星。它的体形将膨胀到目前个头的200倍大。冥王星及其同伴柯依伯带将晋身为宜居区内边界的主人。地球则将步水星和金星的后尘,被太阳的外大气吞没,并旋转落入太阳内部。早在几百万年前,水星和金星便已如此做了太阳的献祭品。

  

  御夫座内的行星状星云IC 2149看上去并没什么出众之处,因为它不过是一颗小质量恒星的演化产物。天文学家怀疑太阳有朝一日也会面对同样贫乏的命运。(图片来源:PATRICK A. YOUNG, DONALD W. McCARTHY, CRAIG KULESA, KAREN A. KNIERMAN, JACQUELINE MONKEWICZ(STEWARD OBSERVATORY)/GUIDO BRUSA, DOUGLAS MILLER, MATTHEW KENWORTHY(CENTER FOR ASTRONOMICAL ADAPTIVE OPTICS))

  正当火星享受着宜居区的温暖阳光,而地球在炙烤下快熔成渣滓的时候,在更大尺度上,我们本星系群的“三巨头”——银河系、仙女座星系(M31)和风车星系(M33)——将会相撞、合并。根据最近的数值模拟结果,从今天算起39亿年后,M31将首次逼近银河系。届时,这两个大质量星系将彼此擦身而过。强大的潮汐力将同时改变双方的形貌,把规则的盘面和优美的旋臂拉散成一堆恒星、气体混杂物。经过大约59亿年,银河系和M31终会合二为一。天文学家把这个合并产物称为银河仙女星系。M33也将围绕这个合并星系旋转,直到最终并入其中。被引力束缚在本星系群里的诸位成员星系迟早都将合并在一起。只不过整个合并过程相当漫长,可能长达数百亿年。

  

  当仙女座星系与银河系首次擦身而过,它们会被彼此拉扯得几乎面目全非。在那之后20亿年,它们将再度相遇。(图片来源:NASA/ESA/Z. LEVAY AND R. VAN DER MAREL (STScl)/T. HALLAS/A. MELLINGER)

  

  从今天算起59亿年后,银河系和仙女座星系将会合并,生成一个形如NGC 2937(图下方)的巨大椭圆星系。接下去,几十亿年后,这个合并产物将把旋涡星系M33也拉进来,形成类似上图所示的Arp 142碰撞星系对。(图片来源:NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA))

  与此同时,其它星系都在彼此远离,逐渐消失不见。与黑洞类似,加速膨胀的宇宙也有“视 界“。一旦时空膨胀的速度超过光速——这并不违反物理定律——我们将与其它星系失去因果联系。即便我们向后者派出像光一样快的飞船或者发出射电信号,也永 远追赶不上它们离去的脚步。现在,我们难以接近所有红移大于1.8的星系——它们发出的光要经过近100亿年才能到达地球。我们目前看到的只不过是定格的 画面。这些画面不可阻挡地向长波移动,而且终将消逝。

  对于那些存在历史超过某一有限时间长度的星系,天文学家永远无法研究它们的演化史。星系离我们越远,我们只能看到它越年轻时的模样,而对它后来的演化了解得越少。如果暗能量恒定不变,与我们相距5千万光年之遥的、庞大的室女星系团将在一千亿年里逐渐淡出我们的视线。

  根据我们目前了解的情况推断,在遥远的未来,宇宙将成为一片寒冷、孤寂之地。所有故事都有开头、中间发展和结尾。从现阶段来看,宇宙完全可能有一个出人意料的结局。

脚注信息

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