科學家首次提出宇宙的盡頭可能是黑矮星超新星爆炸


宇宙的盡頭是在爆炸中湮滅還是在沉默中死亡?天文學家長期以來一直在思考宇宙將如何終結。

由已知的物理定律計算,從現在起到大約10^1100(即是一後面有一百一十個零)年後,恆星停止誕生、星系變暗,甚至黑洞也會通過霍金輻射的過程蒸發,只留下簡單的亞原子粒子和能量。空間的膨脹將使能量冷卻到接近絕對零度(0K),這意味著宇宙的熱死亡和達到總熵(entropy)。

一項新研究顯示,在難以想像的遙遠未來,稱為黑矮星的冰冷恆星殘餘物質開始爆發,形成一系列壯觀的超新星,釋放宇宙有史以來最後的煙花(fireworks)。這或許是宇宙在萬物永遠變暗前最後的歡呼。

今年春天,美國伊利諾伊州立大學理論物理學家馬特·卡普蘭(Matt Caplan)在教授天體物理學課程時意識到,最後一組天體的命運從未解釋過。在耗盡熱核燃料之後,像太陽這樣的低質量恆星不會以引人注目的超新星的形式出現,相反,它們會慢慢地脫落外層,留下一個地球大小的熾熱核心,即白矮星。卡普蘭指出,它們就像是從爐子上取下來的平底鍋,會越來越涼,基本上會永遠冷卻下去。

白矮星通常不再產生能量,依靠一種叫做電子簡併壓力的力量抵抗重力崩潰。白矮星中的粒子鎖在發射熱量的晶格中長達數兆年之久,遠遠超過了宇宙目前的年齡。但最終,這些白矮星會逐漸冷卻,變成黑矮星。

黑矮星缺乏驅動核反應的能量,所以它們內部很少發生核聚變反應。聚變需要帶電原子核克服強大的靜電斥力而合併。然而在很長一段時間內,量子力學允許粒子穿過能量屏障,這意味著儘管速度極低,聚變反應仍然可以發生。

當矽和鎳等原子與鐵熔合時,它們能夠產生正電子,即電子的反粒子。這些正電子會緩慢地摧毀黑矮星中心的一些電子,並削弱它的簡併壓力。對於質量約為太陽1.2至1.4倍的恆星(約佔當今宇宙中所有恆星的1%​​)而言,這種減弱最終將導致災難性的引力崩潰,從而引發類似於更高質量恆星形成超新星的巨大爆發。

卡普蘭說,這種戲劇性的爆發將在10^1100年後開始發生,這一數字人類大腦幾乎無法理解。而這場爆發將持續到10^32000年後。

希望目睹這場宇宙最後煙花的時間旅行者恐怕會失望。因為到了這個時代,一種與引力相反,稱為暗能量的神秘物質把宇宙中的一切分割開,每一顆黑矮星由巨大的黑暗包圍,超新星甚至彼此間都無法觀測到。

耶魯大學天體物理學家格雷戈里·勞克林(Gregory Laughlin)稱讚這項研究是一個有趣的思維實驗,它允許科學家考慮在當前時代還沒有足夠時間展開的物理過程。不過,勞克林也強調,任何有關遙遠未來的研究都不必太當真。 因為我們對極為遙遠的未來的看法反映了目前的認識,而且這種看法會隨著時間的流逝而改變。

【圖:維基百科;文:節錄自科學網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2020年8月7日出版的英國《皇家天文學會月報》

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