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宇宙在进入完全黑暗前可能还有一场烟火秀

天文学家利用美国国家航空航天总署(NASA)哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope)在2012年的观测,发现银河系中的古老白矮星有120至

天文学家利用美国国家航空航天总署(NASA)哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope)在2012年的观测,发现银河系中的古老白矮星有120至130亿年的历史,堪称宇宙中最古老的恒星。 根据最新的研究显示,白矮星会是最后徘徊在宇宙之中的恒星,最后在无法想象的遥远未来发生爆炸。 IMAGE BY NASA AND H. RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA)

这些白矮星是在2006年由哈伯太空望远镜进行的一项天文巡天项目中拍照的。

这些白矮星是在2006年由哈伯太空望远镜进行的一项天文巡天项目中拍照的。

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:DAN FALK 编译:邱彦纶):如果有关类太阳恒星残骸的最新计算正确,那么宇宙的一切将会以一连串的爆炸和低泣画下句点。

宇宙历史的最末篇章终将黯淡无光。 物理学家认为自现在起的无数亿年后,所有的恒星都燃烧殆尽之时,宇宙将成为一片既寒冷又黑暗的广袤之地,再也没有任何事情会掀起宇宙波澜。 随着空间本身的不断扩展,物质被拉伸得愈来愈为稀薄,能量也愈来愈少。 在万古之后,宇宙将在称为「热寂」(heat death)的场景中迈向终结。

但在光亮永远熄灭之前,可能还有最后一场烟火秀等着上演呢! 天文学家认为称为白矮星(white dwarf)的致密恒星,将是在衰老宇宙中持续存在的最后天体之一。 根据《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)已接受发表的一篇论文研究显示,这些恒星能够持续以令人难以置信的缓慢速度进行核融合反应,最终将会发生类似超新星的爆发事件。

并未参与此项研究的加州理工学院和卡内基天文台(Carnegie Observatories)天文物理学家阿比盖尔. 波林(Abigail Polin)表示,白矮星爆炸的想法有点让人出乎意料,因为科学家普遍认为这些燃烧殆尽的恒星「只会不断地冷却」。

根据最新的模型显示,这些白矮星的第一次爆炸将在至少101100年之后才发生──1后面还有1100个零,这个数字太过于庞大,以至于我们没有合适的名称来称呼它。 伊利诺伊州立大学的天文物理学家马特. 卡普兰(Matt Caplan)表示:「如果我们把这个数字写下来,那会是整整一页的零。 」(宇宙目前的年龄只有137亿年。 )

波林也同意这样的说法,「这已经超出了我们会考虑的时间尺度」。 但如果卡普兰的模型正确,这些爆发将是宇宙迈入黑暗终结前最后的重大天文物理事件。

当燃料消耗殆尽

恒星藉由将核心的氢融合成氦而燃烧。 当一颗与我们的太阳大小相当或更重一些的普通恒星用尽了所有的氢时,就没有足够的能量能够抵消自身的重力。 恒星的外层会急剧向外膨胀,而核心开始收缩。 随着核心收缩,压力和温度都会升高,因此较重的元素能够继续融合。 最后恒星会将外层抛向太空,只剩下直径数千公里的超致密天体──白矮星。

在接下来数兆到数百兆年的时间内,白矮星会辐射出残留的所有热量,最后只剩下一个冰冷的天体,我们有时会将之称为「黑矮星」(black dwarf)。 黑矮星又冷又小,因此可以维持很长一段时间的稳定状态,但卡普兰的计算显示,由于受到一种称为「量子穿隧」(quantum tunneling)效应的影响,核融合仍然可以继续进行。

在黑矮星的核心内部,单独原子的原子核各自带有正电荷,因此会像具有相同磁极的磁铁那样互相排斥。 但根据量子理论,每个原子核同时既像波又像是粒子,由于原子核具有波的特性,因此有时会「穿隧」通过相同电荷互相排斥的屏障。

「我们认为白矮星是种完全没有活力的天体,」并未参与此项研究的多伦多大学天文物理学家马丁. 范. 克尔奎克(Marten van Kerkwijk)表示:「想到这些安静的死亡恒星可以继续核融合反应,真是太棒了! 」

卡普兰表示,这些速度超慢的核融合反应会在数兆年的时间内,产生重元素铁。 这个过程还会释放出与电子相似、但带正电荷的正子(positron)。 当恒星核心的正子遇到电子时,将会湮灭互毁。 少了电子及其施加的压力,白矮星本身将无法再克服向内拉扯的重力。 因此会继续收缩,直到发生类似于传统超新星的爆炸而向外反弹。

卡普兰指出,只有那些质量超过太阳1.2倍的最重白矮星才会发生爆炸。 但即使是这样,在目前存在的约1023颗恒星之中,也只有大概百分之一的恒星会发生白矮星爆炸。

在爆炸之前,安静地进行核融合反应的黑矮星并不会释放出任何的可见光。 卡普兰说:「在这之前,就算你面前有颗黑矮星,也无法看见它。 」

但如果物质本身不稳定,那么像白矮星这样的恒星残骸,可能无法存在够长的时间,让缓慢的核融合过程得以发生。 物理学家推测,像质子这样的次原子构造在经过了很长的一段时间──大约是1031年至1036年后,可能会发生衰变。 如果真是如此,那么白矮星可能会在爆炸之前就蒸发消失。

但只要质子留下来,在1999年合著出版《宇宙的五个时代:永恒的物理学》(The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity)探讨宇宙长期未来的密西根大学天文物理学家佛瑞德. 亚当斯(Fred Adams)说:「卡普兰论文中的物理和结果就都有可能了」。

虽然热寂是目前有关宇宙终结最为人广泛接受的理论,但天文物理学家仍在争论许多其他可能性。 像是宇宙可能会重新塌陷,所有的物质都压缩到一个点,然后可能会发生另一次的大霹雳。 也许宇宙加速膨胀的方式会破坏空间本身,在这种状况下,最后个别的原子也终将被撕裂。

无尽黑暗中的最后光芒

到白矮星开始纷纷出现之时,宇宙已经变成我们认不得的样子了。 星系的结构会消失,个别的恒星残骸会在太空中自由奔驰。 甚至是目前已知的最大黑洞,也会因为称为霍金辐射(Hawking radiation)的过程,在10100年后起蒸发消失。 尽管这个时间的尺度很惊人,但与白矮星爆炸的时间尺度相比,只是沧海一粟。

暗能量(dark energy)──这种能够抵消重力并将所有的一切互相推离的神秘力量,将会使包括白矮星在内的所有剩余天体分离,以至于在任何一个天体的视线内都看不到其他的天体。

到了那个时候,在没有恒星能够燃烧产生热量的情况下,几乎不可能有任何生物会活下来。 但如果真的有这样的生物,它只有机会看到一颗白矮星爆炸,因为所有其他的白矮星爆炸都会发生在其「宇宙学视界」(cosmological horizon)之外,这是可以接收到包括光线在内的任何讯息的最大距离。

尽管101100年这样的时间尺度已经超乎想象,但这只代表着末日的开端,因为到了那个时候,最重的白矮星也将爆炸。 根据卡普兰的计算,质量较小的白矮星需要更长的时间──最长约1032000年。 就算有这些爆炸,宇宙的热寂也无法停止,爆炸的白矮星很可能是宇宙的最后一次欢呼。

「在那之后,宇宙将永远冷酷、黑暗和悲伤,」卡普兰说:「除非我们发现了新的物理学。 」




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