10¹¹⁰⁰年后，宇宙将上演一场黑矮星“烟火秀”？
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗，题图来自：视觉中国
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宇宙的终极命运究竟是什么？
长久以来，这个最为基本的大问题一直萦绕在无数天文学家和物理学家的脑海之中。根据已知的物理定律，从现在起大约10100年之后，恒星将停止诞生，星系将变得黑暗，连黑洞也会通过霍金辐射的过程而蒸发殆尽，从此宇宙中只剩下简单的亚原子粒子和能量，而空间的膨胀会使能量冷却到接近绝对零度的温度，标志着宇宙达到热寂。
基于宇宙的最终命运是热寂，最近伊利诺斯州立大学的理论物理学家Matt Caplan在《皇家天文学会月刊》发表了一项新的研究，表明在难以想象的遥远未来，被称为黑矮星的冷恒星残骸将开始爆炸，成为宇宙生命史上最闪耀、最壮观的一场最后的“烟火秀”。这项新的研究假设，宇宙在进入永恒的黑暗之前，将会经历最后一次绚烂。
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在今年年初，Caplan在教授一节天体物理学课时突然意识到，在遥远未来的某刻，宇宙中将会充斥着稀疏的简并残骸，其中大部分是白矮星，而这些白矮星的最终命运却是一个悬而未决的问题。
像太阳这类小质量恒星在脱离外层时会先变成红巨星，接着转变成由碳和氧构成的白矮星。它们不会爆炸成超新星，而是会慢慢地蜕去外层，留下地球大小的炙热内核，成为白矮星。在白矮星中，由于缺乏能量来源，白矮星无法靠由物质发生聚变产生的热量来对抗引力坍缩，而只能靠一种被称为电子简并压的力来支撑，让电子被挤压在一起，使得它极其致密。
那么黑矮星又是什么呢？
实际上，黑矮星是一种假想的恒星残骸，随着白矮星在未来数万亿年间的冷却，它们最终会冷却到不再能辐射出任何可被探测到的光或热，因而成为一颗黑矮星。黑矮星主要由碳和氧等轻元素组成，大小和地球相近，但质量却和太阳差不多，是非常致密的天体。但形成黑矮星所需的时长远远大于目前宇宙的年龄，因此在宇宙中，我们尚不可能发现黑矮星的存在。
黑矮星同样缺乏能驱动核反应的能量，但这并不意味着黑矮星内部的核反应就全面停止。核聚变的发生需要带电的原子核克服强大的静电斥力而合并。然而在经过一段很长很长的时间后，粒子在量子隧穿效应下仍能穿越高能屏障，此时聚变仍然可以发生，只是速率极低，需要极长的时间。
在新的研究中，Clapan计算了硅和镍等原子通过核反应产生铁需要多长时间，他解释说这些原子在核反应中会产生正电子，然后这些正电子会以极慢的速度摧毁黑矮星中心的一些电子，削弱其简并压。对于质量在太阳质量的1.2到1.4倍的恒星（约占宇宙中所有的恒星的1%），这种削弱最终将导致灾难性的引力坍缩，从而引发一种类似于超新星爆发的巨大爆炸。
最终，他计算出这场剧烈的爆炸将在大约101100年后开始，持续到1032000年以后。到那时，可观测宇宙的半径将增长到约e10^¹¹⁰⁰，驱动宇宙加速膨胀的暗能量将会把宇宙中的一切分开，使得每一颗黑矮星都被巨大的黑暗包围。这或许是有史以来天文学中存在过的有意义的最大数字，庞大到人类大脑几乎无法理解。
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目前来看，虽然这项研究所给出的时间尺度大到令人咂舌，但它是个有趣的思想实验，它能启发科学家开始思考在当前宇宙中还没有足够时间展开的那些物理过程。但有必要认识到的一点是，对于这些发生在极其遥远未来的过程，科学家能做的仍只是基于现有理论进行推测，我们对未来的看法都是基于已有的理解而展开的，这些看法也必定会随着时间的推移而改变。
也有人认为，Caplan的假设或许并不正确。比如试图统一自然界中三种基本力（电磁力、弱力和强力）的大统一理论就认为质子最终会衰变，在这种情况下，Caplan的黑矮星在爆炸之前就会被溶解掉。再比如，一些宇宙学模型预测出宇宙的终极命运可能是在大收缩中坍缩，认为宇宙在某个时刻会突然停止膨胀，然后收缩回刚诞生时的状态，如果是这样，那么最后的那场“灯光秀”也将不可能存在。
对于宇宙的终极命运问题，或许我们永远无法给出一个确切的答案。但这些想要理解这些基本大问题的科学家，总在不断地给我们带来更多的灵感，在理解宇宙的本质一事上不断前进。
参考来源：
https://www.sciencemag.org/news/2020/08/way-universe-ends-not-whimper-bang
https://academic.oup.com/mnras/advance-article-abstract/doi/10.1093/mnras/staa2262/5884975?redirectedFrom=fulltext
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：不二北斗
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