今天闪耀的恒星，在遥远的未来也会改变模样
展望宇宙的未来，可以描绘出这样一个大致过程：恒星长久地闪耀，星系改变模样，恒星残骸逐渐增多。像太阳这样的恒星结束一生后，仍会有寿命长得多的恒星留下。随着形成新恒星的气体减少，恒星的诞生预计也会越来越少。
天文学家观测不同年龄和质量的恒星、恒星形成活跃的星系，以及老年恒星众多的星系。把它们的性质与依据物理定律得到的计算结果比较，就能研究天体如何随时间改变。将这些计算延伸到远超当下的时段，可以推测它们的未来。
太阳会大幅膨胀，然后留下小小的残骸
如今的太阳依靠核心中的核聚变发光：氢原子核结合，转变成氦原子核。核心中能够维持这一过程的氢减少后，恒星的内部结构也会改变。恒星演化模型预测，太阳还会在核心中持续进行约50亿年的氢核聚变，随后走向外层大幅膨胀的红巨星阶段。
膨胀后的太阳会大大改变周围行星的环境。太阳的光增强多少、外层膨胀到哪里，都会影响行星接收的热量。地球何时变得难以让生命生存，以及地球最终是否会进入太阳内部，是需要分别研究的问题。
此后，太阳预计会把外层物质抛向宇宙，留下一个小而炽热的核心。这就是白矮星。这个残骸也会释放剩余的热量，继续发光很长时间。约50亿年指的是从现在起，太阳预计还能维持核心氢核聚变的时间，而不是它变成白矮星或失去全部光芒的日期。
小而暗的恒星，能比太阳闪耀得久得多
太阳变成白矮星后，其他恒星仍能继续发光。恒星的寿命不仅取决于拥有多少氢，还取决于消耗氢的速度。质量小于太阳的红矮星以较低的速率释放能量，因此即使燃料较少，也能发光更久。
尤其在质量很小的恒星中，受热的物质上升，冷却的物质下沉，使内部大范围混合。这种运动叫作对流。外部的氢也会被送入核心，因此恒星能利用更大范围内的氢。一些低质量恒星模型预测，它们的寿命可达数万亿年。
1万亿年就是1万个1亿年。这远远超过宇宙目前约138亿年的年龄。这也解释了为什么我们还无法观测到如此长寿的恒星从诞生到一生结束的全过程。
质量非常小的红矮星，在内部的氢经过漫长时间转变成氦之后，可能走上表面温度升高的演化路径。这被称为理论上的蓝矮星阶段。它是尚未观测到的未来状态，不能认为所有红矮星都会沿着相同的路径演化。
星系中能形成新恒星的气体逐渐减少
哈勃和ALMA望远镜在一些几乎不再形成新恒星的遥远星系中，发现了冷气体不足的证据。这并不是未来星系的照片，却为研究恒星诞生所需的材料和环境提供了线索。
恒星的诞生需要能让冷气体聚集到一处的环境。一部分气体进入恒星，并在其中停留很久；恒星结束一生后，仍有部分物质留在残骸中。恒星发出的光和物质流也可能使一些气体变热，或将它们推出星系，让这些气体更难重新聚集。
恒星在一生中会把一部分物质归还给宇宙。如果这些物质重新冷却并聚集，就能成为新恒星的材料。但最初的气体并不会每次都全部返回。假设宇宙能持续膨胀足够长的时间，长期演化模型预测，新恒星会越来越少，长寿恒星和残骸所占的比例则会增加。
并非每个星系都以同样的方式改变。星系彼此靠近经过或合并时，气体可能受到压缩，在一段时间内更活跃地形成新恒星。因此，不能列出一张所有星系都在同一天停止诞生恒星的时间表。
银河系和仙女座星系何时合并，也尚未确定。计算结果取决于测得的星系运动，以及如何纳入周围星系的引力。2025年的研究和2026年的后续研究也给出了不同的合并概率。因此，不能把这一事件标为在未来某个确定日期必然发生。
留下的白矮星会冷却极其漫长的时间
经历恒星的死亡后，并非所有天体都会消失。白矮星、中子星和黑洞等残骸可能留下。其中，白矮星在结束依靠核心核聚变供能的恒星时期后，会释放储存的热量，逐渐变暗。
把这种冷却延伸到极其遥远的未来，就可以设想一种几乎不发光的白矮星。这种理论状态叫作黑矮星。目前认为，宇宙还没有古老到足以让白矮星冷却到这种程度，也没有发现过黑矮星。
几乎不发光，并不意味着恰好达到绝对零度。物质内部的变化和从周围接收的能量，也会影响冷却。因此，很难用一个精确数字规定变成黑矮星所需的时间。
未来越遥远，未知的条件就越重要
太阳会经历巨星阶段并留下残骸的预测，可以用许多恒星的观测和恒星演化理论来检验。研究数万亿年后的恒星，或冷却得更久的残骸时，需要考虑今天已检验的物理规律，在远为漫长的时间里会如何起作用。两类预测都有计算依据，但能够直接与观测比较的范围不同。
宇宙整体的膨胀今后会如何变化，也是重要条件。为解释膨胀加速而引入的暗能量，其性质仍未揭晓。构成物质的粒子是否永远稳定等问题，也可能影响对极遥远未来残骸的计算。
因此，本文的场景既不是已确定未来的照片，也不是等时间间隔的年表。它们是从当前观测到的天体出发，展示预期变化和有待进一步研究的条件的说明模型。除了恒星和星系的变化，整个宇宙最终会到达什么状态，仍是另一个问题。