黑矮星与宇宙寂灭

Illustration of a black dwarf. A black dwarf is the fate that awaits all white dwarfs. The latter are the remains of the cores of dead stars, such as the Sun, after the stars shed their outer layers during the red giant and planetary nebula phases of evolution. White dwarfs only shine by stored energy - they produce no new light. They are destined to cool down forever, eventually disappearing entirely from the electromagnetic spectrum. They are then called black dwarves. However, the process takes so long - longer than the present age of the universe - that no black dwarves will form for perhaps trillions of years.

有人说世界将终结于火
有人说世界将终结于冰
我曾尝过欲望之果
所以我赞同终结于火
——劳伦斯·弗罗斯特

但物理学家有不同的看法

在不可想象的遥远的未来,被称为黑矮星的冷恒星残留物将开始爆炸,形成一系列壮观的超新星,为可能的观察者献上最后的烟花表演。这是一项新研究的结论,研究者认为,宇宙随后将堕入永恒的黑暗。

天文学家长期以来一直在思考宇宙的最终结局。已知的物理学定律表明,从现在起大约10^100年,所有恒星都会熄灭,星系将变黑,甚至黑洞也因被称为霍金辐射的过程而蒸发,几乎不留下任何东西。不仅仅是简单的亚原子粒子和能量。空间的扩展会将能量稀释到接近0开尔文,或绝对为零,这标志着宇宙的热寂灭和总熵。

但是,在今年春季开设一门天体物理学课时,伊利诺伊州立大学的理论物理学家马特·卡普兰(Matt Caplan)意识到,我们漏算了最后的实体。在耗尽了热核燃料后,像太阳这样的低质量恒星不会爆发成引人注目的超新星;相反,它们缓慢地剥落外层,并留下了一个灼热的地球大小的核,被称为白矮星。

卡普兰说:“它们本质上是从炉子上取下来的锅。一直变凉,基本上永远变冷。”

白矮星的重力被称为电子简并压力的力量所抵消。电子挤压在一起,量子力学定律阻止它们占据相同的状态,从而使它们向后推并保持残余质量。

白矮星中的粒子保持锁定在晶格中,晶格可以辐射热量达数万亿年之久,远远长于当前的宇宙年龄。但是最终,这些天文遗迹被冷却并变成了黑矮星。

由于黑矮星缺乏能量来推动核反应,因此它们内部几乎没有变化。聚变需要带电的原子核克服强大的静电排斥力。然而,在很长一段时间内,量子力学允许粒子穿过高能垒(所谓的隧穿),这意味着尽管极低的速率,聚变仍然会发生!

当诸如硅和镍之类的原子向铁融合时,它们会产生正电子,即电子的反粒子。这些正电子会缓慢地和黑矮星中心的电子湮灭,并削弱其简并压力。卡普兰报告说,对于1.2到1.4倍太阳质量之间的恒星(大约占当今宇宙中所有恒星的1%),电子侵削最终将导致灾难性的重力坍塌,从而引发类似于高质量恒星超新星的巨大爆炸。

卡普兰说,剧烈的爆炸将在大约10^1100年后开始发生,那是人类大脑几乎无法理解的数字。最后的超新星爆发将持续10^32000年——要把这个数字完整写出来,可能需要整张纸,很大一张。

但时光旅行者或许会感到失望,因为天穹之上的盛大表演并不壮观——与重力相反的神秘物质——负能量推动宇宙扩张,以至于每个黑矮星都被广阔的黑暗所包围:超新星甚至彼此之间是不可观测的。

实际上,卡普兰表明,届时可观测宇宙的半径将增长大约e^10 ^ 1100(e大约为2.72),这个数字比上面给出的任何一个都要大得多。他说:“这是我职业生涯中必须认真对待的最大数字。”

耶鲁大学天体物理学家格雷戈里·劳克林(Gregory Laughlin)称赞这项研究是一项有趣的思想实验。他说,考虑这些令人难以置信的时标的价值在于,它们使科学家们可以考虑在当前时代没有足够时间开展的物理过程。

不过,劳克林说:“我认为必须强调的是,对未来的任何调查都必须保持开发心态。我们对遥远未来的看法反映了我们目前的科学水平,可能明年就会有所不同。”

例如,某些大一统理论认为,质子最终会衰变。这样一来,卡普兰的黑矮星会先发出辐射,然后才爆炸。一些宇宙学模型假设,宇宙可能反弹收缩,最终回到原点,再次大爆炸创世。

卡普兰本人喜欢凝视遥远的未来。 “我认为,当人类个体意识到自己无可回避的命运终点——死亡时,肯定会激起对宇宙的迷恋。您总是可以宽慰自己,全宇宙都将走向熵的最大化,我本身的结局就不再重要了。”

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

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