廣袤無垠的宇宙，在其漫長的演化史中，恒星誕生、發(fā)光、最終走向死亡。它們留下的遺跡——白矮星、中子星和黑洞——是宇宙中極端物理條件的實驗室，也是構成未來宇宙圖景的基本磚塊。長期以來，我們認為這些致密天體，特別是那些不涉及質子衰變等不穩(wěn)定因素的，可能擁有極其漫長的壽命，甚至在宇宙進入所謂的“簡并時代”后依然存在數(shù)十億億年。然而，近期的一項重要研究，對這一傳統(tǒng)觀念提出了挑戰(zhàn)，指出一種源于時空曲率的量子效應——引力對產生，可能為所有恒星遺跡設定了一個明確的壽命上限，并且這個上限遠比我們之前想象的要短。

要理解這項研究的意義，我們首先需要回顧恒星演化的終點。當一顆恒星耗盡其核燃料，維持其對抗自身引力坍縮的向外壓力消失時，它的命運就取決于其初始質量。質量較小的恒星會演化成白矮星，這是一種主要由簡并電子壓支撐的致密天體。質量更大的恒星則可能在超新星爆發(fā)后留下中子星，其密度極高，由簡并中子壓支撐。而質量最大的恒星則會坍縮形成黑洞，一個引力場如此強大以至于任何物質和信息（甚至光）都無法逃逸的天體，其邊界被稱為事件視界。

在傳統(tǒng)的物理學框架下，白矮星和中子星一旦形成并冷卻下來，如果沒有外部干擾（如吸積伴星物質）或內在不穩(wěn)定因素（如假定的質子衰變），似乎可以無限期地存在。黑洞則被認為會通過霍金輻射緩慢蒸發(fā)，這是一個由斯蒂芬·霍金提出的量子效應，即在黑洞事件視界附近，真空中的虛粒子對在強大引力場的作用下，一個粒子落入黑洞，另一個則成為實粒子逃逸，帶走黑洞的能量和質量。這個過程極其緩慢，對于恒星級黑洞來說，其蒸發(fā)時間通常被認為遠超宇宙的當前年齡。

這項新研究的核心創(chuàng)新在于，它將霍金輻射背后的基本物理圖像——真空中的粒子對產生并受引力場影響而分離——推廣到了不具有事件視界的致密天體。研究人員提出，時空的曲率本身就可以誘導虛粒子對的產生，并在強大的引力梯度作用下，使得其中一個粒子獲得足夠的能量成為實粒子逃離天體，而另一個粒子則被束縛或落回天體，這同樣導致天體損失能量和質量，表現(xiàn)為一種緩慢的“蒸發(fā)”。他們稱這種機制為“引力對產生”引起的輻射，它本質上是霍金輻射的一種更普遍的表現(xiàn)形式，適用于任何具有顯著時空曲率的區(qū)域，而不僅僅是黑洞的事件視界。

他們深入研究了這種引力對產生引起的輻射如何影響恒星遺跡。通過建立簡化的模型，研究人員計算了白矮星、中子星和恒星級黑洞的質量損失率和衰變時間。他們發(fā)現(xiàn)，這種“蒸發(fā)”機制的效率與天體的平均質量密度密切相關：密度越大，時空曲率越強，引力對產生的速率越高，天體的衰變越快。具體來說，他們得出了一個衰變時間與平均密度成反比的比例關系，大約為τ∝ρ^?3/2。

這項研究最引人注目的結果是它給出的具體衰變時間估算。根據(jù)他們的計算，白矮星的壽命上限約為 10^78年。雖然這個時間仍然非常漫長，遠超宇宙目前約 10^10年的年齡，但與之前一些估計的白矮星在沒有質子衰變的情況下可能持續(xù)到10^1100年相比，是一個巨大的縮減。這意味著，即使質子不衰變，白矮星最終也會由于引力對產生而消亡。

對于密度更高的中子星和恒星級黑洞，論文計算出的衰變時間約為 10^67 年。這個結果同樣令人驚訝，因為它表明中子星的壽命與恒星級黑洞的壽命處于同一量級，盡管中子星沒有事件視界。這進一步支持了引力對產生是一種普遍存在的輻射機制，而非僅限于黑洞。這個時間尺度也比之前認為的黑洞蒸發(fā)時間要短，盡管這取決于用于計算黑洞蒸發(fā)率的具體模型和假設。

這項研究的意義是深遠的。首先，它為恒星遺跡的最終命運提供了一個新的物理機制。它表明，即使是宇宙中最穩(wěn)定的一些結構，也無法逃脫由時空曲率和量子效應共同決定的緩慢衰減過程。這挑戰(zhàn)了我們將這些天體視為“永恒”結構的直覺。

其次，它極大地縮短了我們對宇宙遠期未來的預測中，恒星遺跡存在的持續(xù)時間。在關于宇宙熱寂或最終狀態(tài)的討論中，白矮星通常被認為是構成未來宇宙的主體之一，其壽命長短對宇宙最終的圖景至關重要。這項研究提出，恒星遺跡將在比之前設想的更短的時間內“蒸發(fā)”殆盡，這將加速宇宙進入一個更加空虛和低能的狀態(tài)。

第三，這項工作加深了我們對引力與量子力學相互作用的理解。引力對產生是連接廣義相對論與量子場論的關鍵環(huán)節(jié)。通過在黑洞事件視界之外探索這種效應，為研究量子引力效應提供了一個新的窗口，盡管目前仍是理論層面的探索。

當然，正如所有前沿研究一樣，這項研究也有其局限性。例如，其模型對恒星遺跡進行了簡化處理，現(xiàn)實中的天體具有復雜的內部結構和密度分布，這可能會影響精確的衰變率。未來的研究將需要更精細的模型來驗證和改進這些計算。此外，引力對產生引起的輻射效應極其微弱，在可預見的未來幾乎不可能直接觀測到，因此其驗證主要依賴于理論的自洽性和與其他物理理論的協(xié)調。