黑矮星与宇宙寂灭

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。”

本文译自 sciencemag，由 majer 编辑发布。