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Aug. 24 2020

宇宙在進入全然黑暗前,可能還有最後一場煙火秀

  • 天文學家利用美國國家航空航太總署(NASA)哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)在2012年的觀測,發現銀河系中的古老白矮星有120至130億年的歷史,堪稱宇宙中最古老的恆星。根據最新的研究顯示,白矮星會是最後徘徊在宇宙之中的恆星,最後在無法想像的遙遠未來發生爆炸。IMAGE BY NASA AND H. RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA)

    天文學家利用美國國家航空航太總署(NASA)哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)在2012年的觀測,發現銀河系中的古老白矮星有120至130億年的歷史,堪稱宇宙中最古老的恆星。根據最新的研究顯示,白矮星會是最後徘徊在宇宙之中的恆星,最後在無法想像的遙遠未來發生爆炸。IMAGE BY NASA AND H. RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA)

  • 這些白矮星是在2006年由哈伯太空望遠鏡進行的一項天文巡天項目中拍照的。IMAGE BY NASA, ESA, A. CALAMIDA AND K. SAHU (STSCI), AND THE SWEEPS SCIENCE TEAM

    這些白矮星是在2006年由哈伯太空望遠鏡進行的一項天文巡天項目中拍照的。IMAGE BY NASA, ESA, A. CALAMIDA AND K. SAHU (STSCI), AND THE SWEEPS SCIENCE TEAM

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如果有關類太陽恆星殘骸的最新計算正確,那麼宇宙的一切將會以一連串的爆炸和低泣畫下句點。

天文學家利用美國國家航空航太總署(NASA)哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)在2012年的觀測,發現銀河系中的古老白矮星有120至130億年的歷史,堪稱宇宙中最古老的恆星。根據最新的研究顯示,白矮星會是最後徘徊在宇宙之中的恆星,最後在無法想像的遙遠未來發生爆炸。IMAGE BY NASA AND H. RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA)

天文學家利用美國國家航空航太總署(NASA)哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)在2012年的觀測,發現銀河系中的古老白矮星有120至130億年的歷史,堪稱宇宙中最古老的恆星。根據最新的研究顯示,白矮星會是最後徘徊在宇宙之中的恆星,最後在無法想像的遙遠未來發生爆炸。IMAGE BY NASA AND H. RICHER (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA)

宇宙歷史的最末篇章終將黯淡無光。物理學家認為自現在起的無數億年後,所有的恆星都燃燒殆盡之時,宇宙將成為一片既寒冷又黑暗的廣袤之地,再也沒有任何事情會掀起宇宙波瀾。隨著空間本身的不斷擴展,物質被拉伸得愈來愈為稀薄,能量也愈來愈少。在萬古之後,宇宙將在稱為「熱寂」(heat death)的場景中邁向終結。

但在光亮永遠熄滅之前,可能還有最後一場煙火秀等著上演呢!天文學家認為稱為「白矮星」(white dwarf)的緻密恆星,將是在衰老宇宙中持續存在的最後天體之一。根據《皇家天文學會月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)已接受發表的一篇論文研究顯示,這些恆星能夠持續以令人難以置信的緩慢速度進行核融合反應,最終將會發生類似超新星的爆發事件。

並未參與此項研究的加州理工學院和卡內基天文臺(Carnegie Observatories)天文物理學家阿比蓋爾.波林(Abigail Polin)表示,白矮星爆炸的想法有點讓人出乎意料,因為科學家普遍認為這些燃燒殆盡的恆星「只會不斷地冷卻」。

根據最新的模型顯示,這些白矮星的第一次爆炸將在至少101100年之後才發生──1後面還有1100個零,這個數字太過於龐大,以至於我們沒有合適的名稱來稱呼它。伊利諾州立大學的天文物理學家馬特.卡普蘭(Matt Caplan)表示:「如果我們把這個數字寫下來,那會是整整一頁的零。」(宇宙目前的年齡只有137億年。)

波林也同意這樣的說法,「這已經超出了我們會考慮的時間尺度」。但如果卡普蘭的模型正確,這些爆發將是宇宙邁入黑暗終結前最後的重大天文物理事件。

當燃料消耗殆盡

恆星藉由將核心的氫融合成氦而燃燒。當一顆與我們的太陽大小相當或更重一些的普通恆星用盡了所有的氫時,就沒有足夠的能量能夠抵消自身的重力。恆星的外層會急劇向外膨脹,而核心開始收縮。隨著核心收縮,壓力和溫度都會升高,因此較重的元素能夠繼續融合。最後恆星會將外層拋向太空,只剩下直徑數千公里的超緻密天體──白矮星。

這些白矮星是在2006年由哈伯太空望遠鏡進行的一項天文巡天項目中拍照的。IMAGE BY NASA, ESA, A. CALAMIDA AND K. SAHU (STSCI), AND THE SWEEPS SCIENCE TEAM

這些白矮星是在2006年由哈伯太空望遠鏡進行的一項天文巡天項目中拍照的。IMAGE BY NASA, ESA, A. CALAMIDA AND K. SAHU (STSCI), AND THE SWEEPS SCIENCE TEAM

在接下來數兆到數百兆年的時間內,白矮星會輻射出殘留的所有熱量,最後只剩下一個冰冷的天體,我們有時會將之稱為「黑矮星」(black dwarf)。黑矮星又冷又小,因此可以維持很長一段時間的穩定狀態,但卡普蘭的計算顯示,由於受到一種稱為「量子穿隧」(quantum tunneling)效應的影響,核融合仍然可以繼續進行。

在黑矮星的核心內部,單獨原子的原子核各自帶有正電荷,因此會像具有相同磁極的磁鐵那樣互相排斥。但根據量子理論,每個原子核同時既像波又像是粒子,由於原子核具有波的特性,因此有時會「穿隧」通過相同電荷互相排斥的屏障。

「我們認為白矮星是種完全沒有活力的天體,」並未參與此項研究的多倫多大學天文物理學家馬丁.范.克爾奎克(Marten van Kerkwijk)表示:「想到這些安靜的死亡恆星可以繼續核融合反應,真是太棒了!」

卡普蘭表示,這些速度超慢的核融合反應會在數兆年的時間內,產生重元素鐵。這個過程還會釋放出與電子相似、但帶正電荷的正子(positron)。當恆星核心的正子遇到電子時,將會湮滅互毀。少了電子及其施加的壓力,白矮星本身將無法再克服向內拉扯的重力。因此會繼續收縮,直到發生類似於傳統超新星的爆炸而向外「反彈」。

卡普蘭指出,只有那些質量超過太陽1.2倍的最重白矮星才會發生爆炸。但即使是這樣,在目前存在的約1023顆恆星之中,也只有大概百分之一的恆星會發生白矮星爆炸。

在爆炸之前,安靜地進行核融合反應的黑矮星並不會釋放出任何的可見光。卡普蘭說:「在這之前,就算你面前有顆黑矮星,也無法看見它。」

但如果物質本身不穩定,那麼像白矮星這樣的恆星殘骸,可能無法存在夠長的時間,讓緩慢的核融合過程得以發生。物理學家推測,像質子這樣的次原子構造在經過了很長的一段時間──大約是1031年至1036年後,可能會發生衰變。如果真是如此,那麼白矮星可能會在爆炸之前就蒸發消失。

但只要質子留下來,在1999年合著出版《宇宙的五個時代:永恆的物理學》(The Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity)探討宇宙長期未來的密西根大學天文物理學家佛瑞德.亞當斯(Fred Adams)說:「卡普蘭論文中的物理和結果就都有可能了」。

雖然熱寂是目前有關宇宙終結最為人廣泛接受的理論,但天文物理學家仍在爭論許多其他可能性。像是宇宙可能會重新塌陷,所有的物質都壓縮到一個點,然後可能會發生另一次的大霹靂。也許宇宙加速膨脹的方式會破壞空間本身,在這種狀況下,最後個別的原子也終將被撕裂。

無盡黑暗中的最後光芒

到白矮星開始紛紛出現之時,宇宙已經變成我們認不得的樣子了。星系的結構會消失,個別的恆星殘骸會在太空中自由奔馳。甚至是目前已知的最大黑洞,也會因為稱為霍金輻射(Hawking radiation)的過程,在10100年後起蒸發消失。儘管這個時間的尺度很驚人,但與白矮星爆炸的時間尺度相比,只是滄海一粟。

暗能量(dark energy)──這種能夠抵消重力並將所有的一切互相推離的神祕力量,將會使包括白矮星在內的所有剩餘天體分離,以至於在任何一個天體的視線內都看不到其他的天體。

到了那個時候,在沒有恆星能夠燃燒產生熱量的情況下,幾乎不可能有任何生物會活下來。但如果真的有這樣的生物,它只有機會看到一顆白矮星爆炸,因為所有其他的白矮星爆炸都會發生在其「宇宙學視界」(cosmological horizon)之外,這是可以接收到包括光線在內的任何訊息的最大距離。

儘管101100年這樣的時間尺度已經超乎想像,但這只代表著末日的開端,因為到了那個時候,最重的白矮星也將爆炸。根據卡普蘭的計算,質量較小的白矮星需要更長的時間──最長約1032000年。就算有這些爆炸,宇宙的熱寂也無法停止,爆炸的白矮星很可能是宇宙的最後一次歡呼。

「在那之後,宇宙將永遠冷酷、黑暗和悲傷,」卡普蘭說:「除非我們發現了新的物理學。」

 

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