9．紅巨星的太陽
展望更遙遠的未來，大約離現在50億年，太陽核心的氫將燃燒完畢，再也沒有氫剩餘下來--它們全都在核反應的過程中被轉化成了氦。核心突然失去了由核反應釋放出來的輻射壓力的支撐，在強大的引力作用下，坍縮不可避免地開始了。外層物質轟塌而來，壓縮了核心並且加熱了物質。直到現在，氦原子核還沒有參與核反應。然而，在幾秒鍾的時間裏，溫度就將升高到足以觸發新一輪的核反應的程度：氦原子核聚合形成鈹原子和鋰原子。這個核反應的效率要高得多，其後太陽的輻射將比現在強2000多倍，而且它的體積將急速膨脹，並將水星和金星吞沒其中。太陽，終於變成了一顆紅巨星。
在演化過程中的某一階段，紅巨星的太陽變得不穩定起來。通過一係列劇烈的脈動，它的外部包層被吹離到遙遠的星際空間中，形成所謂的“行星狀星雲”。
需要指出的是，行星狀星雲和行星毫不相幹，它隻是一顆演化到了晚期的恒星拋射出的外包層。它們是宇宙中難得的奇觀，有著絢麗多姿的美麗外表，但存在時間卻隻有幾萬年。其中最著名的是天琴座環狀星雲（M57），用一架小型望遠鏡即很容易地找到它，因為它正好位於兩顆肉眼可見的恒星--天琴座和天琴座--的中間，靠近明亮的織女星，甚至用中等口徑的雙筒望遠鏡也能看到它。在望遠鏡中看，它像是一個發著微光的圓形輪胎。M57看上去是對稱的，但是別的行星狀星雲的形態卻千差萬別，令人眼花繚亂，它們的形狀取決於物質從中央恒星處拋射出來的確切物理過程。目前看來最常見的形狀是沙漏形，即大多數物質都沿著恒星磁場的軸線方向分布。根據這個模型，行星狀星雲既可以是沙漏形的也可以是環形的，取決於我們看到的是它的側麵還是正麵。粗略地講，這一模型是準確的，但是還有許多細節有待於更詳細的解釋。從化學上看，行星狀星雲是宇宙中最令人感興趣的區域之一。行星狀星雲形成的早期，在中央恒星發出的光輻射的作用下，形成了許多複雜的分子。
10．白矮星——坍縮了的太陽
同時，回過頭來看中央恒星，既然可供燃燒的燃料都耗盡了，就再也沒有什麼能阻礙恒星在它自身引力作用下的坍縮了，而且這種坍縮發生得非常快速。最終，恒星的密度變得如此之大，導致一種新的抵抗力--簡並壓力--的產生，開始發揮作用並與引力相抗衡。簡並壓力的產生是“不相容原理”的結果，這是量子力學理論中的一條基本原理，即不可能有兩個粒子能處於同一種狀態下，也就是說，如果兩個具有相同的電量、質量和能量的粒子靠得太近，它們就會互相排斥。恒星會一直坍縮，直到簡並壓力和向內擠壓的引力恰好達到平衡為止。在這個新狀態下的恒星成為一個比地球還小但是密度卻高得令人難以置信的致密球體，稱為“白矮星”。一勺白矮星的物質即重達數噸。到這一階段，地球將退離至距這個能源耗盡的太陽的虛弱殘骸2.7億千米的地方。
接下來的命運又將如何？答案是“變化不大”。白矮星是資源枯竭的恒星，它沒有能源，能做的唯一一件事就是在微弱的輻射中慢慢變暗，最後變得和周圍環境溫度相同。它變成一顆冰冷、暗淡的黑矮星所需要的時間之長超乎想象，事實上，相比之下宇宙都顯得太年輕，還沒能形成一顆黑矮星。或許我們的太陽將定格為一顆微小的、死亡的黑矮星，但仍然被殘存的行星所環繞。
11．中子星和黑洞
質量較大的恒星的結局則有所不同。尤其是當恒星質量很大時，它的核心變成白矮星後，質量仍超過了所謂“錢德拉塞卡質量”，即1.4倍太陽質量，這時量子簡並壓力也不足以和引力抗衡了。相反，引力是如此巨大，以至於質子和電子都被擠壓在一起，變成了中子，恒星成為一顆“中子星”，它的密度比白矮星還要大得多，一勺中子星物質的質量就與全人類的總質量相當！中子星個頭極小，直徑不超過15千米，但它們的平均質量高達太陽質量的1.5倍。如果你能站在一顆中子星的表麵，你的重量將達到百億噸的量級。中子星實際上也是超新星遺跡中最常見的天體。我們看到的神秘天體--脈衝星，其實就是中子星的一種偽裝。
在超大質量的超新星爆發事件中，中子星也不是快速坍縮的恒星核心的最終結局。一旦它的核能被耗盡，坍縮開始了，但這次它是如此猛烈，以至於沒有什麼能阻止它。恒星不停地坍縮、坍縮，變得越來越致密，經曆了中子星階段也不會停止。在此過程中，逃逸速度不斷增加。任何質量小於8倍太陽質量的恒星都將以白矮星或中子星的形式結束它的一生。如果恒星的質量比這更大，坍縮將勢不可擋，正如我們已經看到的那樣，一顆黑洞由此而生。
12．脈衝星
脈衝星是快速旋轉的中子星，在我們看來它們是射電脈衝的源頭，每秒鍾有幾個脈衝到達地球。我們已經介紹過了角動量在行星形成中所扮演的角色，在這裏，它也同樣重要。當恒星物質在坍縮形成中子星時，它攜帶著角動量，就好像滑冰者把手臂收起來後就會增加旋轉速度一樣，正在形成中的中子星也自轉得越來越快。一旦坍縮過程完成，脈衝星就將以基本穩定的速率自轉。現在人們已經發現了許多每秒轉動上千次的脈衝星，它們大多數都很年輕。隨著時間的推移，中子星的旋轉將會慢慢減慢。
脈衝從何而來？從環繞著中子星的物質中發出的輻射被限定為靠近兩極的狹窄射束。隨著星體的旋轉，射束不時掃過地球，就像海裏的燈塔發出的光束瞬間掃過遠處的船隻或海灘上的行人一樣。當射束正好指向我們時，我們的望遠鏡就探測到了一個脈衝。
脈衝星是宇宙中最精確的時鍾。在一種我們尚不明確的、發生於星體內部的物理過程的作用下，它們的自轉偶爾也會發生突變，但除了這種偶發事件以及自轉的長期變慢之外（在極其長久的時間尺度裏），它們非常守時。因此它們為天文學家們提供了獨一無二的時間實驗室。還有些極為罕見的“雙脈衝星”係統，我們將在後文中詳細介紹。已有報道稱在脈衝星周圍發現了行星，有人就提出這些行星可能是造成脈衝星自轉周期輕微變化的原因。然而，很難解釋行星是如何在導致脈衝星形成的那次超新星爆發中幸存下來的。
記住，我們討論的是恒星核心的演化，事實上恒星外層發生的過程更加劇烈。當坍縮突然停止時，外部包層被反彈回去，釋放出極其巨大的能量，這就是超新星爆發了。
13．碰撞的恒星世界
和太陽也會變老一樣，遍布於宇宙中的年老恒星也會衰亡，新的恒星將誕生。星係也是在演化和運動中的。我們的本星係群隻包含3個主要的大星係，仙女座旋渦星係、三角座旋渦星係和銀河係。其中仙女座星係最大，三角座星係最小。仙女座星係距離我們200萬～300萬光年之間，是離我們最近的星係，它被銀河係和它之間的相互引力束縛，以300千米每秒的速度向我們靠近。因此，在大約30億年之後，在我們所處的這個宇宙的角落裏將發生一件驚天動地的事：兩個巨大的星係將碰撞在一起。
如果一個小星係和一個大得多的星係相撞，那麼它將簡單地被吸收掉，並且通常完全喪失掉它的獨立特征。碰撞中，它的邊界被潮汐力完全打亂，每次當它靠近那個大星係時，其中的恒星將被逐個剝離出去。兩個大型星係碰撞時的情況則大不相同。
也許最好在這裏說明一下，盡管我們在討論兩個星係的碰撞，但我們並沒有暗指單顆恒星也會撞到一起。恒星之間的距離--記得太陽和它最近的鄰居（半人馬座比鄰星）間的距離超過了4光年--太大了，以至於恒星碰撞是極其罕見的事，即便在兩個星係碰撞的混亂環境中也是如此。
碰撞將持續數十億年。如果計算機模擬是可靠的話，仙女座星係將首先搖擺著經過我們的銀河係，對任何現場的觀測者而言，那個小光斑將變得越來越大，直到碰撞開始發生時，它已成了夜空中的主宰。隨著兩個星係裏儲存的氣體碰撞在一起，引起的激波觸發數以萬計的新恒星形成，其中許多都將位於明亮的星團中，星團被熾熱的藍色恒星主導。
許多大質量恒星（因此年齡很短）的誕生，意味著超新星爆發將會非常普遍，它們爆發產生的激波將觸發新一輪更大規模的恒星形成。天空將被熾熱閃光的氣體和塵埃雲弄得一團糟。在仙女座星係經過銀河係之後，其中剩下的物質在頭前尾後地插進銀河係以前的核心之前，將花費大約1億年形成一個宏大的U形。許多物質就像長長的尾巴那樣留在後麵，但隨著時間推移，它們也將掉進中心裏去，結果大概會形成一個巨大的橢圓星係。最終，銀河係中心的黑洞與仙女座星係中（那個幾乎必定位於中心）的黑洞，很可能短兵相接，碰到一起。
通常人們相信，兩個黑洞碰撞到一起將形成一個質量更大的黑洞。同時也必將發出密集的輻射，與之相伴的還有所謂“引力波”。
14．引力波
引力波是愛因斯坦廣義相對論的一個預言，可以理解為空間本身的“漣漪”。隻有在最高能量的事件中，引力波效應才能達到較為顯著的程度。但即便在那些情況下，這些效應也十分微弱，引力波至今仍然沒有被探測到。人們已經做了許多嚐試，但是要探測到我們周圍空間的波動效應，需要令人難以置信的精度--相當於要以小於一個原子核的大小的精度，來測量一根1英裏長的棍子的長度。或許最有希望的探測手段是利用衛星，目前正有許多項目計劃在醞釀中。探測引力波將使我們得以了解一係列全新的物理環境和天體，其中包括宇宙中一些極為罕見的現象。
盡管我們還沒有探測到引力波，但從一類稱為（也是我們已知的唯一一類）雙脈衝星的係統--兩顆互相繞轉的致密的中子星--中，已有了顯著的證據表明了它的存在。由於這些令人驚異的天體發射出極其規則的能量脈衝，可以穿越遙遠的宇宙距離，因此我們能夠以極高的精度獲得它們的軌道時間。天文學家們已經發現，雙脈衝星正旋轉著互相靠近對方，這意味著必定正有能量從係統中喪失。散失的能量，與理論預言中以引力波的形式釋放出的能量吻合得相當好，但除非我們測量到引力波本身，我們還不能確定已得到了答案。