宇宙陷入沉寂之前最後的歡呼

2020-12-08 騰訊網

圖為美國宇航局哈勃太空望遠鏡在2012年拍攝的銀河系中古老的白矮星。這些恆星年齡介於120億至130億年，是宇宙中最古老的恆星。根據新的研究，白矮星也將成為宇宙中最後的恆星，並將一直延續到超乎想像的遙遠的未來，並最終發生爆炸。

圖源：NASA AND H. RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA)

撰文：DAN FALK

宇宙史的終章預計會相當黯淡。物理學家認為，距今無數億年之後，當所有的恆星燃盡，宇宙會變成了一個寒冷、黑暗的廣闊空間，沒有任何有趣的事情發生，或可能發生。隨著空間本身不斷膨脹，物質變得稀薄，可用的能量變得越來越少。宇宙在接下來的無窮時間裡會陷入一個名為「熱寂」的情境。

但是在所有的光線永久熄滅之前，可能會有幾場「煙花」謝幕。天文學家認為，緻密恆星白矮星將是古老的宇宙中最後剩餘的天體。近日，《皇家天文學會月報》上的一篇論文發現，這類恆星能以慢得超乎尋常的速度進行核聚變，並最終形成超新星一樣的爆炸。

美國加州理工學院及卡內基天文臺的天文學家Abigail Polin（未參與本研究）介紹，白矮星發生爆炸這一概念有點兒令人意外，因為，科學家們一般認為這些燃盡的恆星「會永遠地冷卻下去」。

根據這一新的研究模型，最早一批白矮星爆炸至少不會早於101100年後。這個數字是1後面跟著1100個0，數字太大，無法用兆、億之類的單位命名。該論文的作者、美國伊利諾州立大學的天文學家Matt Caplan說：「如果你要寫出來，就是一整頁的0。」（宇宙目前的年齡僅有137億年左右。）

Polin也認為：「這超出了我們通常所使用的任何時間尺度。」不過，如果Caplan的結論是對的，這些爆炸將是宇宙陷入無盡黑暗之前最後的重大天文事件。

在宇宙迷霧中穿行

恆星燃燒，靠的是在其內核中將氫聚變成為氦。當像我們太陽大小或稍重一些的恆星耗盡所有的氫元素時，它就沒有足夠的能量來抵消其自身的重力，其內核就開始收縮，而其外層則會劇烈膨脹。當內核收縮時，壓力和溫度增加，從而聚變形成更重的元素。這些恆星最終剝離了外層，剩下的部分會形成密度超大、直徑僅有幾千千米的天體，即白矮星。

這些白矮星是美國宇航局的哈勃太空望遠鏡在2006年執行天文調查時拍攝的。

圖源：NASA, ESA, A. CALAMIDA AND K. SAHU (STSCI), AND THE SWEEPS SCIENCE TEAM

在經歷幾萬億年到幾百萬億年的漫長歲月後，白矮星輻射出剩餘的所有熱量，冰冷的殘餘物有時候被稱作「黑矮星」。但是，儘管黑矮星又冷又小，使其無法長久地維持穩定，而Caplan的計算顯示，由於存在量子隧穿現象，核聚變仍然可以進行。

在黑矮星的內核，每個原子的原子核都帶有一個正電荷，因此，它們會像磁極一樣相互排斥。但是，根據量子理論，每個原子核都呈現出波粒二象性。由於原子核的「波」的特性，一顆原子核偶爾會從將其與鄰近原子核分開的斥力壁壘中「隧穿」。

加拿大多倫多大學的天體物理學家Marten van Kerkwijk（未參與本研究）稱：「我們都以為白矮星是完全呆滯的天體。能想到這些安靜的死亡恆星仍在繼續聚變，真是相當高明。」

據Caplan介紹，歷經許多萬億年，這些超慢的聚變反應會產生重元素鐵。這一過程也會釋放出正電子（與電子類似，但帶正電荷）。當這些正電子與電子在恆星內核相遇時，它們會消滅彼此。沒了這些電子及其釋放的壓力，白矮星自身將無法克服重力拖拽。它將會繼續收縮，直至在一場爆炸中向外「回彈」。這一過程類似於傳統的超新星爆發。

Caplan指出，只有最重的白矮星，即質量超過太陽1.2倍的，才能產生這種爆炸。他說，即便如此，白矮星發生爆炸的概率，在目前存在約1023顆恆星中也僅佔1%。

爆炸前，默默聚變的黑矮星不會釋放出可見光。Caplan說：「它即使在你面前，你也看不到它，直到它爆炸。」

然而，如果物質本身不穩定，那麼，白矮星等恆星殘留物的存在時間可能不足以產生如此緩慢的聚變過程。物理學家們推斷，質子的衰變時間很長，約1031至1036年。如果它們發生衰變，那麼，白矮星可能在爆炸之前就會消失。

但是，只要有質子存在，「Caplan的論文裡的物理過程，以及結果似乎都說得通。」Fred Adams說道。他是密西根大學的天體物理學家，曾在1999年與人合著《宇宙的五個時代：探究永恆的物理（The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity）》一書，探討了宇宙長遠的未來。

當前，熱寂是接受度最高的宇宙終結理論，不過，天體物理學家們仍在繼續探討其他可能性。宇宙可能會自身坍縮回去，所有物質壓縮成一個奇點，之後可能會再次發生大爆炸。或者，宇宙的加速膨脹將會毀滅空間本身，單個原子最終也將會被撕裂。

無盡黑暗中最後的光亮

待到白矮星開始爆炸時，宇宙將面目全非。星系都失去了其結構，單個恆星的殘留物在太空中自由地飄蕩。距今10100年後，如今已知最大的黑洞也可能會由於霍金輻射過程而消失。儘管這是一段極為漫長的時間，但與白矮星爆炸的時間尺度相比則是小巫見大巫。

暗物質，抵消引力並將萬物與其他一切分離開的神秘力量，將會使任何剩下的天體（包括白矮星）分離開，以至於任何天體都無法看到彼此。

由於沒有恆星燃燒產生熱量，此時很可能什麼都無法存活。但是，假如還存在那麼一種生物，它將只能看到一場白矮星爆炸，因為所有其他的白矮星爆炸都發生在它的「宇宙視界」之外。它將無法獲取宇宙視界之外的任何信息，包括光。

儘管101100年的時長超乎想像，但這只是終結的開始，標誌著最重的白矮星開始爆炸。較輕的白矮星還需要更久，據Caplan計算，最久的將發生在103200年之後。儘管有這些爆炸發生，但宇宙的熱寂卻無法終止。爆炸的白矮星可能將是茫茫宇宙中最後的歡呼。

Caplan說：「除非有我們尚未發現的新物理規律出現，否則，在那之後，宇宙將陷入永遠的冰冷、黑暗、悽慘之中。」

（譯者：Mikegao）

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