Спостереження показують, що розширення Всесвіту триватиме вічно. Якщо це так, то Всесвіт буде охолоджуватися зрештою стане занадто холодним для підтримки життя. Тому такий сценарій майбутнього називають «Великим замерзанням».
Якщо темна енергія, представлена космологічною константою, буде прискорювати розширення Всесвіту, простір між кластерами галактик зростатиме все більш швидкими темпами. Червоне зміщення розтягне фотони (навіть гамма-випромінювання) до довжин хвиль настільки великих і енергій настільки низьких, що вони перестануть виявлятися. Нові зірки з'являтимуться протягом 1-100 трильйонів років, поки не вичерпають весь газ, необхідний для їхнього утворення та горіння, і всесвіт буде повільно і невпинно холоднішати і темнішати. Згідно з гіпотезами, що пророчать розпад протона, зоряні залишки зникнуть, залишивши за собою лише чорні діри, які врешті-решт самі випаруються через випромінювання Гокінга. Зрештою, згідно з другим законом термодинаміки, Всесвіт досягне стану, в якому подальша робота буде неможлива, що призведе до теплової смерті Всесвіту.
Космологія
Нескінченне розширення не визначає просторової кривини Всесвіту. Всесвіт може бути відкритою (з негативною просторовою кривиною), плоскою або закритою (з позитивною просторовою кривиною) системою. Якщо вона закрита, має бути присутня достатня кількість темної енергії, щоб протидіяти гравітаційному тяжінню матерії та іншим силам, які прагнуть стиснути Всесвіт. Відкритий і плоский Всесвіт буде розширюватися вічно, навіть при відсутності темної енергії.
Спостереження реліктового випромінювання за проєктом Wilkinson Microwave Anisotropy Probe свідчить про те, що Всесвіт є плоским і має значну кількість темної енергії.Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Data Processing, Sky Maps, and Basic Results , G. Hinshaw et al., The Astrophysical Journal Supplement Series (2008), submitted, , . У цьому випадку Всесвіт повинний продовжувати розширюватися зі швидкістю, що зростає. Прискорене розширення Всесвіту підтверджувалося спостереженнями наднових у далеких галактиках. Якщо космологічна модель ΛCDM (Модель Лямбда-CDM) правильна, і темна енергія формує космологічну сталу, часове розширення стане експоненціальним і постійно прискорюваним.
Якщо теорія інфляції правильна, Всесвіт пройшов через період, де в перші моменти великого вибуху переважає різної форми темна енергія; але інфляція закінчилася, показавши темну матерію в її сьогоднішньому стані. Можливо, стан темної енергії може знову змінитися в результаті події, яка матиме наслідки, які вкрай важко визначити або передбачити.
У 1970-ті роки майбутнє Всесвіту, що розширюється, досліджували астрофізик Джамал Іслам і фізик Фрімен Дайсон. Не так давно астрофізики Фред Адамс і Грег Лафлін розділили минуле і майбутнє Всесвіту, що розширюється, на п'ять епох. Перша ера, початкова — це час у минулому, відразу після Великого вибуху, коли зорі ще не сформувалися. Друга, ера утворення зір, включає сьогоднішній день і всі зорі і галактики, які спостерігаються. Це час, протягом якого зорі формуються з хмар газу, що колапсує. У наступну епоху, виродження, зорі будуть вигоряти, залишаючи за собою білі карлики, нейтронні зорі і чорні діри. В епоху Чорних дір білі карлики, нейтронні зорі та інші дрібніші астрономічні об'єкти будуть знищені протонним розпадом, залишивши тільки чорні діри. Нарешті, в темну епоху навіть чорні діри зникнуть, залишивши за собою лише вироджений газ з фотонів і лептонів.
Хронологія, яка є нижче, припускає прискорене розширення Всесвіту. Якщо Всесвіт почне стискатися, наступні події на часовій шкалі можуть і не відбутися, оскільки Велике стискання призведе Всесвіт у гарячий і густий стан на зразок того, що було після Великого вибуху.
Хронологія процесу
Ера утворення зір 106 (1 млн) років — 1014 (100 трлн) років після Великого вибуху
Вік спостережуваного Всесвіту нині складає приблизно 1,38×1010 (13,8 млрд) років. Приблизно через 155 млн років після Великого вибуху сформувалися перші зорі. Це відбувалося в результаті стиснення невеликих і густих ділянок холодних молекулярних хмар водню. Спочатку через гравітаційне стискання формувалися гарячі і яскраві протозірки. Після тривалого стиснення температура в їхніх центрах стрімко зростала до межі, достатньої для початку термоядерного синтезу водню.
Зорі, маса яких була дуже низькою, зрештою виснажать свої запаси водню, здатного до синтезу, стаючи гелієвими білими карликами. Зорі малої і середньої ваги викинуть частину своєї маси у вигляді планетарних туманностей і врешті-решт теж стануть білими карликами; більш масивні зорі будуть вибухати в наднові, залишивши після себе нейтронні зірки або чорні діри. Так чи інакше, хоча деяка частина зоряної речовини може повернутися в міжзоряне середовище, вироджений зоряний залишок так і буде на місці. Таким чином, запаси газу для зореутворення будуть виснажуватися.
Галактики Чумацький шлях і Галактика Андромеди зливаються в одну Через 5 млрд років (18,7 млрд років після Великого вибуху)
Галактика Андромеди нині розміщена приблизно за 2,5 мільйона світлових років від нашої Галактики, і вони рухаються назустріч одна одній приблизно зі швидкістю 300 кілометрів на секунду. Приблизно через 5 млрд років, або 19 млрд років після Великого вибуху, Чумацький шлях і Андромеда зіллються в одну велику галактику. У 2012 році на підставі даних з космічного телескопа «Габбл» було підтверджено, що зіткнення точно відбудеться.
Злиття Місцевої групи галактик і Надскупчення Діви 1011 (100 млрд) — 1012 (1000 млрд) років
Галактики в місцевій групі скупчення галактик, які включають Чумацький шлях і галактику Андромеди, є гравітаційно пов'язаними одна з одною. Очікується, що через 100 млрд — 1 трлн років їхні орбіти зруйнуються і вся Місцева група зіллється в одну велику галактику.
Якщо припустити, що темна енергія змушує Всесвіт розширюватися з прискоренням, то приблизно через 150 млрд років всі галактики за межами Місцевої групи вийдуть за космологічний горизонт. Місцева група перестане взаємодіяти з іншими суперкластерами. Спостерігач в Місцевій групі фактично перестане бачити далекі галактики і зорі, а також події після 150 млрд років від місцевого часу. Тому теоретично після 150 млрд років міжгалактичні транспортування і зв'язок стануть неможливими.
Галактики за межами місцевого Надскупчення Діви більше не виявляються Через 2×1012 (2 трлн) років
Приблизно через 2 трлн років всі галактики за межами місцевого Надскупчення перестануть бути спостережуваними в будь-якому діапазоні.
Ера виродження 1014 (100 трлн) — 1040 років
Приблизно через 100 трлн років від сьогоднішнього моменту формування зір припиниться, залишивши лише пил білих карликів і нейтронних зір. Цей період буде останнім перед початком глобального розпаду.
Припинення утворення зір Через 1014 (100 трлн) років
Згідно з оцінкою, приблизно через 100 трлн років або менше припиниться утворення зір. Найменш масивні зорі найдовше будуть випалювати своє водневе паливо. Таким чином, найбільш живучі зорі у Всесвіті — це маломасивні червоні карлики з масою близько 0,08 мас Сонця, які мають час життя до 10 трлн років. Це порівняно з протяжністю часу, за якого відбулося формування зір. Одного разу утворення зір закінчиться і найменш масивні червоні карлики витратять своє паливо, припиниться ядерний синтез у їхніх ядрах. Вони охолонуть і стануть білими карликами. Залишаться тільки об'єкти з масою менше 0,08 мас Сонця і вироджені залишки; білі карлики, нейтронні зорі і чорні діри, припиниться світність зірок з початковими масами більше 8 мас сонця. Більша частина цих об'єктів, приблизно 90 %, буде у вигляді білих карликів. За відсутності будь-яких джерел енергії ці всі тіла будуть охолоджуватися і тьмяніти.
Після того, як догорить остання зірка, всесвіт стане дуже темним. Одним зі способів, яким можна освітити Всесвіт, може бути злиття двох вуглецево-кисневих білих карликів із загальною масою більших, ніж межа Чандрасекара — близько 1,4 сонячної маси. В об'єкті спалахне термоядерний синтез, потім відбудеться перетворення в наднову, яка зможе освітлювати Всесвіт протягом декількох тижнів. Якщо загальна маса не перевищує межу Чандрасекара, але більша, ніж мінімальна маса для плавлення вуглецю (близько 0,9 маси Сонця), то це може запалити вуглецеву зорю з терміном життя 1 млн років. Крім того, якщо зіткнуться два гелієвих білих карлика з сумарною масою не менше 0,3 маси сонця, може запалитися зірка з терміном життя в кілька сотень мільярдів років. Нарешті, якщо зіткнуться коричневі карлики, може з'явиться червоний карлик і існувати протягом 10 трлн років.
Розліт планет зі своїх орбіт і зіткнення з іншими зірками Через 1015 (1 квадрильйон) років
З часом планети покинуть свої орбіти через гравітаційні збурення, викликані залишками інших зірок і галактик, а також зіткненнями з ними.
Зоряні залишки покидають галактики і перетворюються на чорні діри 1019 — 1020 (10 — 100 квінтильйонів) років
Протягом великої кількості часу всі тіла у всесвіті обмінюватимуться кінетичною енергією, що призведе до динамічної релаксації згідно з розподілом Максвелла-Больцмана. У стані динамічної релаксації можуть протікати або близькі контакти двох зірок, або слабкіші, проте більш часті віддалені взаємодії. Наприклад, при зіткненні двох коричневих карликів їхні траєкторії незначно зміняться. Після великої кількості зіткнень легкі об'єкти набудуть кінетичної енергії, тоді як більш важкі втратять її.
Через динамічну релаксацію деякі об'єкти отримають достатню кількість енергії, щоб досягти швидкості покидання галактик, через це галактики будуть розпадатися. Потім процес буде прискорюватися. Зрештою більшість об'єктів (90 % — 99 %) покине галактики, залишивши невелику частину (може бути від 1 % до 10 %), яка своєю чергою потрапить у центр надмасивних чорних дір галактик.
Початок розпаду нуклонів Через 1034 років
Подальша еволюція Всесвіту залежить від наявності та швидкості протонного розпаду. Експериментальні дані показують, що якщо протон нестабільний, то його напіврозпад становить принаймні 1034 років. Якщо яка-небудь з Теорій Великого Об'єднання правильна, то можна припускати, що період напіврозпаду протона перебуває в межах 1041 років.
Якщо буде доведено, що протон з часом не розпадається на частини, то зоряна маса, як і раніше, буде зникати, але більш повільно. Це одна з проблем сучасної космології.
У наведеній хронології передбачається, що період піврозпаду протона приблизно 1037 років. Це означає, що після 1037 року половина всієї баріонної матерії буде перетворена в гамма-кванти і лептони за допомогою протонного розпаду.
Всі нуклони розпалися Через 1040 років
Враховуючи передбачуваний період піврозпаду протона, нуклони (протони і нейтрони) розпадуться через 1040 років. У всьому Всесвіті до кінця епохи розпаду кількість протонів становитиме 1080, і вона буде постійно зменшуватися. Фактично вся баріонна матерія буде замінена фотонами і лептонами. Деякі моделі передбачають формування стабільних атомів з діаметром близько 1085 світлових років і що все це своєю чергою призведе до розпаду протягом 10141 років.
Ера чорних дір 1040 років — 10100 років
Через 1040 років у Всесвіті будуть домінувати чорні діри. Вони будуть повільно випаровуватися через випромінювання Гокінга. Чорна діра з масою близько однієї маси Сонця зникне приблизно за 2 × 1066 років. Час життя чорної діри пропорційний кубу її маси, тобто чим масивніша діра, тим довше вона буде розпадатися. Надмасивна чорна діра з масою 1011 (100 млрд) мас Сонця випарується приблизно 2 × 1099 років.