宇宙中何時會出現黑星？

死星也會閃耀，但它們終將熄滅。

9:31 貝多芬第7交響曲第2樂章 來自星空天文網

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當恆星耗盡所有燃料後，需要多久才會徹底冷卻？它們何時會變成不發光的黑星？讓我們從恆星的誕生開始說起。

當分子氣體雲在自身引力的作用下坍縮的時候，總會有一些地方密度比周圍高出那麼一點。當所有物質區域都在竭盡全力把更多的物質往自己身上拉的時候，這些密度特別高的地方拉取物質的效率也特別高。

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引力坍縮是一種失控的過程，你拉取的物質越多，隨後的物質就會以更快的速度前來。一片鬆散的分子雲變為部分坍縮的氣團可能需要幾百至幾千萬年，而從部分坍縮的氣團變為星團只需幾十萬年。

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星團中那些亮度最高、質量最大的恆星只佔所有恆星數量的1%，這些稀有的藍星質量可達太陽的數百倍，亮度可達太陽的數百萬倍。但是它們的壽命也是最短的，只需一百萬至兩百萬年，它們就會耗盡所有核燃料。

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它們燃料耗盡時會爆發成II型超新星。在這個過程中，它們的內核會發生向心聚爆，坍縮成一個中子星或一個黑洞。與此同時它們的外層會被拋入星際空間，為下一代恆星提供豐富的氣體原料，為岩石質行星、有機分子和生命提供必須的重元素。

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假如產生的是一個黑洞，那麼除了積吸盤發出的光和視界發出的低溫霍金輻射外，它將在瞬間從我們的視線中消失。假如產生的是一個中子星，那麼情況就會完全不同。

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中子星是恆星竭盡所有能量，並以一種不可思議的速度瞬間坍縮而成的。物質被快速壓縮時，溫度會上升。活塞發動機的原理就是這個。恆星內核坍縮成中子星是這種快速壓縮的極端案例。在幾秒至幾分鐘內，一個直徑幾百至幾千公里，由鐵、鎳、鈷、硅和硫等元素組成的內核瞬間被壓縮成了一個直徑不到十幾公里的球。在這個過程中，它的密度升高了10^15倍，中心和表面溫度分別升高到了10^12K和10^6K。

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所有能量都被保存在這個已經坍縮了的恆星內部，而其表面溫度是如此之高，以致於它不僅會發出藍白色的可見光，還通過肉眼不可見的波段釋放出大部分能量，比如紫外線，比如X射線。這個天體內積聚了超大的能量，但是能夠釋放的窗口卻只有它小小的表面。

中子星多久才會冷卻？這涉及到一個至今尚未完全破解的難題：中微子冷卻。光子輻射無法穿透的物質，中微子卻可以，它甚至可以在中子星內部暢通無阻。中子星要冷卻到不發光，至少需要10^16年，是宇宙年齡的一百萬倍。如果慢一點的話，用上10^20至10^22年也是有可能的。

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但是宇宙中的大部分恆星，大約99%的恆星是不會變成超新星的。它們在生命的盡頭會緩慢地收縮成白矮星。這種緩慢程度雖然是相對於超新星而言，但仍然需要耗費幾萬至幾十萬年時間，卻也足以把所有恆星內核的熱量封存進它內部。不同的是，它的直徑和地球差不多，是中子星的一千倍左右。

這意味著白矮星的溫度也非常高，在2萬K以上，是太陽溫度的三倍左右。但是與中子星相比，它們要冷卻下來顯然要快得多。

白矮星、地球和黑矮星。BBC

在白矮星身上，中微子的逃逸是可以忽略不計的，因此它的表面輻射是唯一有效的降溫方式。通過計算我們可以獲知，白矮星冷卻的時間範圍大約是10^14至10^15年。之後它們的溫度會下降到接近絕對零度。

也就是說，大約一萬億年後，當宇宙年齡是當前1000倍的時候，白矮星的表面溫度會跌至無法再發出可見光。很多很多年以後，宇宙中會出現一種新的天體：黑矮星。

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在當前的宇宙中，溫度最低的白矮星失去的熱量還不足0.2%。也就是說對於一個誕生時溫度為2萬K的白矮星來說，它現在的溫度至少還有19960K。我們真的還要等待很久很久，才能看到第一顆黑星。

當宇宙中第一顆黑矮星出現時，我們的本星系團已經合併成了一個星系，大部分恆星的燃料已經耗盡，只有那些質量最低的、顏色最紅的，也是最昏暗的恆星還在閃耀。

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與此同時，其它星系都已遠離我們而去，在我們的視野中消失。生命已經窮途末路。由於新星誕生的速度大大降低，在引力的作用下，恆星和恆星的屍體將不斷地被拋出星系。

雖然我們無法經歷這一切，但我們卻可以預見到。我們不但能夠了解當下，還可以了解未來。而這，也正是科學的神奇之處。

Ethan Siegel / 老孫商業轉載須獲授權，非商業轉載請註明出處、作者、譯者