时间尽头的黑矮星超新星爆发

当宇宙接近最大熵时，宇宙以热寂告终，其永恒的指数膨胀将其推向有效的完全空虚和绝对寒冷。以往认为，在宇宙热寂的最后一刻，将是最后一个黑洞蒸发时的最终爆炸。但新的计算表明，天体物理灾难的最后一个来源是宇宙尽头发生的新型超新星。

在大约 10^32000 年后，最后一颗铁星将在灾难的边缘摇摇欲坠。量子怪异的高密度球体通过仅由其电子施加的压力，来支持自己抵抗引力坍缩。但它的电子也在慢慢消失了，当过多的电子消失时，整颗恒星将发生灾难性的坍缩，然后作为壮观的超新星爆炸反弹，这是庆祝时间终结的最后烟花。

此次计算更新归功于天体物理学家马特・卡普兰的论文，我将详细介绍该发现。但首先，还有很多问题需要了解，比如包括我们的太阳在内的恒星是如何成为“铁星”的？他们的电子发生了什么？

1930 年，科学界正处于一场革命之中。量子力学的新科学在许多方面打破了我们对世界的经典理解。例如，福勒发现了一种新的超致密物质 —— 简并物质 —— 的理论状态，其中原子被剥夺了电子，然后这些电子被挤得如此紧密，以至于所有可能的量子态都被占据了。

由于无法再靠近，简并物质中的电子施加了强大的向外压力 —— 电子简并压力。福勒的发现解开了当时的一大谜团，一种新型的恒星被发现 —— 白矮星。这些微弱但炽热的恒星似乎具有如此高的密度，以至于它们的一立方厘米物质重达一吨。福勒意识到它们可以由简并物质组成，仅简并压力就足以阻止它们在自身强烈的引力场下坍塌。

很明显，这一定是太阳的最终命运。一旦它的核燃料供应耗尽，就没有能量向外流动来抵抗重力挤压。它的核心会坍塌，直到被电子简并压力停止。与此同时，外层将被弹射出去，其暴露的核心成为白矮星。

那个时代最杰出的物理学家开始相信白矮星应该是所有恒星的命运。钱德拉塞卡在思考这个问题时，意识到最杰出的物理学家都错了。他意识到，虽然福勒对简并等离子体状态的计算非常出色，但它们也不完整，他们没有考虑到爱因斯坦相对论的影响。在白矮星的极端密度下，电子确实会以足够快的速度移动，以使相对论开始介入。

钱德拉重新计算了福勒的计算并发现了一些疯狂的东西。尽管这种简并压力可以在一定程度上支撑一颗死星，但如果那颗恒星残余的质量太高，那么一个新的过程就会接管。在称为电子捕获的过程中，恒星自身的电子将被驱入其原子核。电子的减少产生更少的电子简并压力，这意味着恒星开始坍缩，更多的电子被驱动进入原子核，因此整个过程是失控的。

我们现在知道，伴随着强大的超新星爆炸，最终结果要么是中子星，要么是黑洞。但是当时钱德拉只知道没有任何白矮星可以存在于这个质量极限之上，这个极限现在称之为钱德拉塞卡极限。对于一颗普通恒星留下的恒星核心，这个极限应该是太阳质量的 1.44 倍。

在钱德拉塞卡极限下，白矮星开始炽热而明亮，但没有能力产生新的能量，他们慢慢地散发着青春的热度。当它们冷却时，曾经灼热的等离子体会改变状态，它开始冻结了：星星结晶。在常规晶体中，原子或分子通过共享电子结合成晶格。在白矮星中，原子核永远无法重新捕获它们的电子以再次成为原子。电子仍然是炽热的简并等离子体，并继续保持恒星不坍缩的工作。

与此同时，原子核停止与电子相互作用并在它们冷却时减速。它们在恒星内几乎一动不动，并滑入规则的网格中。最终，所有白矮星都必须冷却到周围空间的温度。现在空间温度是寒冷的 3 开尔文，但随着宇宙膨胀和宇宙背景辐射的消散，未来甚至会比这更冷。最终，所有白矮星都必须消退成几乎看不见的球体，我们称之为黑矮星。

在结晶黑矮星的深处，一个碳或氧核整齐地排列在其指定的列和行中。突然间，它会发现自己被送到了另一个位置 —— 由于其位置的基本量子不确定性而被传送。这种量子隧道效应使原子核离它的邻居足够近，以至于两者融合成一个更重的元素。这个过程被称为核聚变，它将非常缓慢地核心从碳转化为最稳定的物质形式 —— 铁，这大约需要 10^1500 年。最终结果是一颗铁星或铁黑矮星，这是所有核心低于钱德拉塞卡极限的恒星的假设命运。

在天体物理学家马特・卡普兰发表的论文中，他找到了一种方法，可以让这些铁星以更亮的结果结束 —— 作为黑矮星超新星。请记住，钱德拉塞卡极限给出了由电子简并压力支撑的恒星残余物可能的最大质量。但卡普兰对导致铁星的核反应进行了详细分析，发现微妙的平衡受到威胁。

在核聚变过程的最后阶段，两个硅核聚变产生镍，然后镍的一个质子发射正电子成为中子，结果是铁 56—— 宇宙中最稳定的元素。但是发射的正电子是支持恒星抵抗坍缩的电子的反物质对应物，它会立即与其中一个电子湮灭，耗尽了恒星的供应。当这颗铁星完全形成时，它的钱德塞卡质量已经从大约 1.44 下降到不到 1.16。

这意味着如果质量大于 1.16 个太阳质量，最初质量低于原始钱德拉塞卡极限的白矮星（或现在的铁黑矮星）可能会变得不稳定。当这种情况发生时，灾难性的坍缩应该会导致一种新型的超新星，这种超新星只会在遥远的未来发生 —— 黑矮星超新星，它们会留下较小的铁芯或中子星。对于最大的此类恒星，预计第一次爆炸将在 10^1100 年左右开始，而处于下限的那些将需要 10^32000 年才能爆发，也就是宇宙热寂的最后一刻。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang

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