宇宙中的恒星正在枯竭吗？

无论你是在城市中心还是偏远乡村，当你躺下来仰望夜空时，首先映入眼帘的便是数不胜数的恒星。而这些肉眼可见的恒星，全都隶属于我们所在的星系 —— 银河系。

银河系的年龄被认为与宇宙近乎相当，但与宇宙中许多邻近星系不同的是，银河系至今仍不断有新恒星诞生。银河系中存在多个特殊区域，例如船底座星云和猎户座星云：船底座星云拥有质量达太阳数百倍的恒星；在过去一千万年间，猎户座星云已孕育出数万颗恒星。

在宇宙邻近区域，活跃造星的星系数量约为低造星活动星系的六分之一，由此可见，银河系如此活跃的造星现象十分罕见。这一现象背后，是天文学家们发现的一个更宏观趋势：宇宙的恒星形成速率正在下降，而他们正致力于探寻这一现象的原因。


恒星是如何形成的？

我们对恒星生命周期的认知，大多源于对银河系内恒星诞生与消亡过程的观测。

恒星诞生于遍布多数星系的寒冷气体和尘埃云中 ——星云。星云的低温环境（约 10 开尔文，即 - 263 摄氏度）至关重要，只有在这样的温度下，氢气才能凝聚并达到足够高的密度，进而开启恒星形成的进程。凝聚形成的气团会通过引力吸引更多气体，这些气体在向气团中心聚拢的过程中，会因运动获得能量。当气体撞击气团时，运动产生的所有能量都会转化为热量。这一过程不断持续，直到气团温度升至数千开尔文，最终形成一颗恒星。

“主序星阶段” 是恒星生命周期中最长的稳定时期。在这一阶段，恒星通过将两个氢分子聚变为氦的核反应，持续产生辐射与热量。辐射释放形成的向外压力，能够平衡恒星自身质量产生的引力，同时，这一过程也是星系大部分光的来源。

不同质量的恒星，在主序星阶段的表现差异显著：大质量恒星：为对抗更强的引力，会更快消耗燃料，但发光强度极高，能释放高能紫外线。小质量恒星：寿命长得多，发光强度较弱，主要释放低能红外线。宇宙中多数星系的恒星质量范围在太阳质量的 0.1 至 10 倍之间。

当恒星的氢燃料耗尽时，便会进入生命周期的最后阶段，转变为 “退化恒星”，具体形态取决于恒星质量。与太阳质量相当或更小的恒星无法再产生辐射，引力占据主导地位，恒星物质会坍缩形成白矮星。

质量大于太阳的恒星，在坍缩过程中，其内部有更多物质在更高温度下燃烧，形成的核心能够聚变更重的元素 —— 首先是将氦聚变为碳。若恒星质量足够大，这一聚变过程会持续进行，形成多层结构，最终能聚变出铁这样重的元素。当所有层级的燃料耗尽后，恒星外层会迅速坍缩，随后以接近光速的速度从核心反弹向外抛射，这一剧烈爆发被称为超新星。抛射的物质会融入周围的气体尘埃中，为下一代恒星的诞生奠定基础，而恒星核心则会留下中子星或黑洞。


恒星形成速率发生了怎样的变化？

恒星形成速率并非一成不变。如今宇宙的恒星形成量，仅为约 100 亿年前（宇宙造星高峰期）的九分之一。近十年前，一篇具有里程碑意义的论文发表，让我们对宇宙时间尺度上恒星形成活动的变化规律有了清晰认知。

皮耶罗・马达乌（Piero Madau）与马克・狄金森（Mark Dickinson）整合了数十项研究的数据，涵盖数十万星系的红外与紫外波长观测结果。这些观测对象既包括邻近银河系的星系，也包括 130 亿年前（宇宙早期）的古老星系。

研究人员根据距离将这些星系样本分组，通过分析数据，观察到宇宙生命周期中星系亮度分布的变化规律。由于恒星是星系红外与紫外光的主要来源，他们利用已知公式，将星系亮度直接转化为恒星形成速率。

研究结果证实：宇宙早期的恒星形成活动十分微弱；随着气体在星系内不断聚集，恒星形成速率快速上升，并在约 100 亿至 110 亿年前达到峰值；此后，恒星形成速率便开始迅速下降。在当前的宇宙邻近区域，恒星形成速率已降至峰值时期的九分之一左右。
这一趋势带来的结果是：如今观测到的恒星中，约有一半形成于宇宙大爆炸后的最初 50 亿年，而在过去 60 亿年间形成的恒星仅占四分之一。


恒星形成速率下降的原因是什么？

总体而言，天文学家认为，恒星形成速率的变化与宇宙中冷气体的可利用量密切相关：星系形成初期，冷气体在星系内聚集，推动恒星形成活动达到峰值；随后，冷气体被快速消耗；当恒星开始消亡时，超新星爆发会吹散未来恒星形成所需的冷气体，同时改变气体的化学性质，最终导致恒星形成速率下降。

然而，要精确理解冷气体如何变得无法用于造星，并非易事 —— 星系是复杂的系统，受到众多内外力的影响。例如：超新星抛射物质时产生的冲击波，可能形成足够的湍流，促使气体凝聚并触发下一代恒星形成；但如果冲击波能量过强，则可能将气体吹出星系，彻底断绝造星可能。

这只是众多复杂问题中的一个：若多颗超新星同时或在不同时间爆发，会产生怎样的影响？黑洞等其他天体引发的冲击波又会带来什么变化？这些过程如何影响气体温度？类似的疑问不胜枚举。

为解答这些问题，科学家采用了模拟技术。以 “鹰”模拟项目为例，它在一个包含 10000 个银河系大小星系的空间范围内，重现了星系形成与演化的物理过程。模拟始于宇宙早期（物质分布尚均匀的阶段），随后根据关键宇宙学参数（暗物质与普通物质的密度、宇宙膨胀速率），让恒星、星系及其他结构自然形成。

模拟是检验不同恒星形成模型及其与星系其他过程相互作用的有效工具。天文学家可以通过调整假设宇宙的参数（如超新星爆发强度），验证模型是否能解释当前的观测结果。

但受计算能力限制，要精确模拟整个星系范围内的这些相互作用仍存在困难，因此不得不做出一些假设，而这些假设并非总能与实际情况完全吻合。

我们的假设需要通过望远镜获取的新数据不断更新。例如，近期发射的詹姆斯・韦伯空间望远镜专门聚焦于恒星形成的物理机制研究，它将提供全新的观测视角，帮助改进现有模拟模型。

天文学家认为，恒星形成速率整体下降的大趋势已基本确定，但通过整合模拟与观测数据，我们有望更深入地理解这一现象背后的具体原因。


宇宙未来会走向何方？

部分科学家正试图推测：若恒星形成速率持续下降，宇宙将呈现怎样的景象？他们认为，当前的 “恒星时代”（即恒星持续形成的时期）结束后，造星所需的燃料将基本耗尽。

随着剩余恒星逐渐消亡，宇宙将被黑洞与其他退化恒星主导，变得更加寒冷、空旷。夜空会显著变暗；恒星系统的中心恒星温度大幅降低，不再适合生命生存；黑洞则会吞噬周围残留的所有物质。

这个被称为 “退化时代”的未来图景虽显凄凉，却引人深思。幸运的是，这一时代不会很快到来：当前宇宙年龄约为 137 亿年，而退化时代预计要在宇宙大爆炸后 10¹⁵年至 10³⁹年之间才会开启。不过，这只是基于恒星形成速率持续下降的推测结果，宇宙最终命运还存在其他奇特的可能性。

另一种可能的结局与我们尚未完全理解的 “暗能量”（推动宇宙加速膨胀的力量）有关。若宇宙加速膨胀的趋势持续，暗能量可能变得足够强大，最终撕裂星系、恒星乃至物质本身，使宇宙归于虚无。若宇宙膨胀速度放缓甚至停止，引力将重新占据主导，所有物质会相互吸引，最终导致整个宇宙坍缩，但坍缩可能引发新的宇宙大爆炸，开启一个全新的宇宙。

暂且不论这些充满推测性的宇宙结局，关于恒星形成速率下降的具体原因，以及这一现象对整个宇宙的意义，我们仍有许多未知亟待探索。虽然生命的存在依赖太阳，但恒星形成过程本身对生命并非全是益处：它可能降低行星形成的概率、向恒星系统释放有害辐射，甚至引发超新星爆发。若宇宙中恒星数量过多，或许我们根本没有机会站在这里，思考这些关于宇宙的深层问题。