超新星是一个强大的事件。在短暂的时间里,一颗恒星像星系一样闪耀,在最后一次绝望的尝试中将自己撕裂,以对抗其引力。虽然我们将超新星视为罕见而奇妙的事物,但它们却很常见。根据对我们银河系中同位素的观察,我们知道 大约每千年在银河系中会发生二十颗超新星。 这些灿烂的宇宙闪光使宇宙充满了重元素,它们残留的尘埃几乎构成了我们在我们周围看到的一切。但超新星不会永远持续发生。在遥远未来的某个时刻,宇宙将看到最后一颗超新星。
最后一次超新星发生的时间是一篇新论文的主题。使用我们对天体物理学的了解,它计算出最后一个“有趣”的天体物理事件何时发生。正如我们今天看到的那样,超新星是由大质量恒星引起的。由于不是所有恒星的物质都被超新星抛出,潜在巨星的数量会随着每一代而减少。在接下来的1000亿年内,大恒星将停止形成,第一个超新星时代将结束。
开普勒超新星遗迹 (SN 1604) 的可见光、红外和 X 射线图像,距离我们大约 13,000 光年。图片来源:NASA、ESA、R. Sankrit 和 W. Blair(约翰霍普金斯大学)。
但红矮星等较小的恒星仍将燃烧。它们可以继续发光数万亿年,但即使它们也会耗尽燃料约 1014年。到那时,将只剩下死星的残核,根据它们的质量,坍缩成白矮星、中子星或黑洞。大于大约两个太阳质量的残余物将坍缩成黑洞。那些质量在 1.4 到 2.2 个太阳质量之间的将成为中子星,其余的将成为白矮星。
黑洞和中子星实际上是稳定的。黑洞是坍缩到极限的物质,中子星通过核子之间的强相互作用力抵抗重力。但白矮星是另一回事。
白矮星示意图。信用:穆罕默德·易卜拉欣·努赫
白矮星靠电子的简并压力抵抗重力。 Subrahmanyan Chandrasekhar 在 1930 年代计算出它们的质量上限为 1.4 个太阳质量,并认为任何小于这个质量的残余物都会逐渐冷却成为黑矮星。但我们现在知道事情并没有那么简单。白矮星中较重的元素会下沉,形成氧、氖和镁的核心。随着白矮星冷却成黑矮星,核心中的原子将靠得更近。
最终,它们将足够接近以致于可能发生一种奇怪的融合。正常聚变发生在非常高的温度下。原子核彼此如此接近,以至于可以 量子隧道融合成更重的元素。 量子隧穿没有发生的最小距离;在更远的距离上,这是极其罕见的。但在黑矮星的心脏内,它会发生。如果有足够的时间,核心中的元素将融合成铁。
估计这个改造需要10个左右1100年。当黑矮星的核心变成致密的铁时,它可以达到临界点。对于介于 1.2 到 1.4 个太阳质量之间的黑矮星,铁核将变得非常密集,以至于电子简并无法阻止引力坍缩。核心将内爆和反冲,产生超新星爆炸。最大的黑矮星将首先爆炸,然后是越来越轻的黑矮星。最终,一些比太阳质量稍大的黑矮星将成为历史上最后一颗超新星,大约在 1032000未来几年。
这将是寒冷、黑暗、死寂的宇宙中的最后一道光。
参考:Caplan, M. E. “ 遥远未来的黑矮星超新星 .”英国皇家天文学会月刊(2020)。