黑矮星:我就是我,是顏色不一樣的煙火;宇宙廣闊,要做最堅強的泡沫.

2021-01-19 科學有段子

圖片來源：MARK GARLICK/SCIENCE SOURCE





「宇宙」的來源，可追溯自戰國時期著名的政治家、先秦諸子百家之一——尸佼的著作《尸子》〈卷下〉篇：「上下四方曰宇，往古來今曰宙。」 而首次將宇宙兩字合為一體的，則是《莊子》的〈齊物論〉：「旁日月，挾宇宙」。宇宙是所有時間、空間與其包含的內容物所構成的統一體；它包含了行星、恆星、星系、星系際空間、次原子粒子以及所有的物質與能量。大爆炸理論是當前描述宇宙誕生及發展的主流宇宙學模型。

恆星是一種天體，由引力凝聚在一起的一顆球型發光等離子體，太陽就是最接近地球的恆星。恆星的生命是由氣態星雲（主要是氫、氦）引力坍縮開始的。一旦核心有了足夠的密度，氫聚變成氦的核聚變反應就可以穩定的持續進行，釋放聚合過程中產生的能量。恆星內部的其它部分會進行組合，形成輻射層和對流層，將能量向外傳輸；恆星內部的壓力能防止其因自身的重力繼續向內坍縮。恆星的核心終其一生都在進行核合成，一旦耗盡了核心的重元素核反應，質量大於0.4太陽質量的恆星，會膨脹成為一顆紅巨星，在某些情況下，核心會融合成更重的元素。然後這顆恆星會演化出「簡併型態」（別理會這詞，或者自己去查查），並將一些物質回歸至星際空間的環境中。這些釋放出去的物質有助於形成新一代的恆星系，它們會含有比例較高的重元素。與此同時，核心成為恆星殘骸之後，將會是以下這三種形態之一：

雖然在已知的白矮星中，質量估計最低是0.17 、最高是1.33倍太陽質量，但質量為0.6倍左右太陽質量的白矮星明顯最多，大多數的質量都在0.5至0.7倍太陽質量之間。1 M☉的恆星，演化成白矮星之後的質量大約是0.6 M☉，體積則壓縮至近似地球的大小。白矮星在剛形成時有著非常高的溫度，表面的溫度可以超過100,000K，它的內部則更為炙熱。它實在是太熱了，因此在它存在的最初1,000萬年大部分的能量是以微中子的形式失去，但絕大部分的能量是在之後的十億年中慢慢流失……

黑矮星是假想中的恆星殘骸，是當一顆白矮星的溫度低到不再能發出可以被偵測到的光或熱的狀態。由於一顆白矮星要達到此種狀態所需要的時間遠高過當前已有137億年的宇宙年齡，因此在現今的宇宙中尚不可能有黑矮星的存在，而溫度最低的白矮星將會是宇宙年齡的一個觀測極限。另外，中子星如果沒有伴星提供質量讓它進一步坍縮為黑洞的話，它將通過減慢自轉以消耗角動量維持光度。當它的角動量消耗完以後，中子星也將變成不發光的黑矮星。


當宇宙中恆星停止誕生，只剩下黑矮星和黑洞的時候，宇宙終結假說之一，「熱寂」的時間表開始倒計時。
在之前的猜想中，某些理論認為質子會衰變，當所有質子都已完成衰變的情況下，宇宙中所有的物質只能以兩種形式存在：黑洞或是輕子。在之後漫長的時間流逝中，黑洞也將通過「霍金輻射」的方式蒸發殆盡。

但是，伊利諾州立大學的理論物理學家馬特·卡普蘭，在今年春天開設天體物理學課的時候，關於黑矮星的結局，提出了一個全新的設想：

之前的猜想：由於黑矮星缺乏能量來推動核反應，因此它們內部幾乎不會發生任何事情。聚變需要帶電的原子核來克服強大的靜電排斥完成融合。


然而，只要時間足夠長，量子力學允許粒子發生勢壘貫穿，這意味著，儘管極度緩慢，但是聚變仍將會發生。


當諸如矽和鎳之類的原子向鐵融合時，它們會產生正電子，即電子的反粒子。這些正電子將緩慢地破壞黑矮星中心的某些電子，並削弱其簡併壓力。卡普蘭說，對於質量大約是太陽質量的1.2到1.4倍之間的黑矮星來說，最終將導致災難性的重力坍塌，從而引發類似於超新星的巨大爆炸。


卡普蘭說，從現在起大約10^1100年，劇烈的爆炸將開始發生，爆炸將持續至10^32000年後。「我認為，我們對死亡的認識肯定會激發人們對宇宙終極命運的思考。」

https://www.sciencemag.org/news/2020/08/way-universe-ends-not-whimper-bang


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