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?xiàng)l件的實(shí)驗(yàn)室，也是構(gòu)成未來宇宙圖景的基本磚塊。長期以來，我們認(rèn)為這些致密天體，特別是那些不涉及質(zhì)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(jìn)入所謂的“簡并時(shí)代”后依然存在數(shù)十億億年。然而，近期的一項(xiàng)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(shí)空曲率的量子效應(yīng)——引力對產(chǎn)生，可能為所有恒星遺跡設(shè)定了一個(gè)明確的壽命上限，并且這個(gè)上限遠(yuǎn)比我們之前想象的要短。

要理解這項(xiàng)研究的意義，我們首先需要回顧恒星演化的終點(diǎn)。當(dāng)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(shí)，它的命運(yùn)就取決于其初始質(zhì)量。質(zhì)量較小的恒星會(huì)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(zhì)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(zhì)量最大的恒星則會(huì)坍縮形成黑洞，一個(gè)引力場如此強(qiáng)大以至于任何物質(zhì)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(xué)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(zhì)）或內(nèi)在不穩(wěn)定因素（如假定的質(zhì)子衰變），似乎可以無限期地存在。黑洞則被認(rèn)為會(huì)通過霍金輻射緩慢蒸發(fā)，這是一個(gè)由斯蒂芬·霍金提出的量子效應(yīng)，即在黑洞事件視界附近，真空中的虛粒子對在強(qiáng)大引力場的作用下，一個(gè)粒子落入黑洞，另一個(gè)則成為實(shí)粒子逃逸，帶走黑洞的能量和質(zhì)量。這個(gè)過程極其緩慢，對于恒星級(jí)黑洞來說，其蒸發(fā)時(shí)間通常被認(rèn)為遠(yuǎn)超宇宙的當(dāng)前年齡。

這項(xiàng)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(chǎn)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(shí)空的曲率本身就可以誘導(dǎo)虛粒子對的產(chǎn)生，并在強(qiáng)大的引力梯度作用下，使得其中一個(gè)粒子獲得足夠的能量成為實(shí)粒子逃離天體，而另一個(gè)粒子則被束縛或落回天體，這同樣導(dǎo)致天體損失能量和質(zhì)量，表現(xiàn)為一種緩慢的“蒸發(fā)”。他們稱這種機(jī)制為“引力對產(chǎn)生”引起的輻射，它本質(zhì)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(shí)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(chǎn)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(jì)算了白矮星、中子星和恒星級(jí)黑洞的質(zhì)量損失率和衰變時(shí)間。他們發(fā)現(xiàn)，這種“蒸發(fā)”機(jī)制的效率與天體的平均質(zhì)量密度密切相關(guān)：密度越大，時(shí)空曲率越強(qiáng)，引力對產(chǎn)生的速率越高，天體的衰變越快。具體來說，他們得出了一個(gè)衰變時(shí)間與平均密度成反比的比例關(guān)系，大約為τ∝ρ^?3/2。

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

對于密度更高的中子星和恒星級(jí)黑洞，論文計(jì)算出的衰變時(shí)間約為 10^67 年。這個(gè)結(jié)果同樣令人驚訝，因?yàn)樗砻髦凶有堑膲勖c恒星級(jí)黑洞的壽命處于同一量級(jí)，盡管中子星沒有事件視界。這進(jìn)一步支持了引力對產(chǎn)生是一種普遍存在的輻射機(jī)制，而非僅限于黑洞。這個(gè)時(shí)間尺度也比之前認(rèn)為的黑洞蒸發(fā)時(shí)間要短，盡管這取決于用于計(jì)算黑洞蒸發(fā)率的具體模型和假設(shè)。

這項(xiàng)研究的意義是深遠(yuǎn)的。首先，它為恒星遺跡的最終命運(yùn)提供了一個(gè)新的物理機(jī)制。它表明，即使是宇宙中最穩(wěn)定的一些結(jié)構(gòu)，也無法逃脫由時(shí)空曲率和量子效應(yīng)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(jié)構(gòu)的直覺。

其次，它極大地縮短了我們對宇宙遠(yuǎn)期未來的預(yù)測中，恒星遺跡存在的持續(xù)時(shí)間。在關(guān)于宇宙熱寂或最終狀態(tài)的討論中，白矮星通常被認(rèn)為是構(gòu)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(guān)重要。這項(xiàng)研究提出，恒星遺跡將在比之前設(shè)想的更短的時(shí)間內(nèi)“蒸發(fā)”殆盡，這將加速宇宙進(jìn)入一個(gè)更加空虛和低能的狀態(tài)。

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

當(dāng)然，正如所有前沿研究一樣，這項(xiàng)研究也有其局限性。例如，其模型對恒星遺跡進(jìn)行了簡化處理，現(xiàn)實(shí)中的天體具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密度分布，這可能會(huì)影響精確的衰變率。未來的研究將需要更精細(xì)的模型來驗(yàn)證和改進(jìn)這些計(jì)算。此外，引力對產(chǎn)生引起的輻射效應(yīng)極其微弱，在可預(yù)見的未來幾乎不可能直接觀測到，因此其驗(yàn)證主要依賴于理論的自洽性和與其他物理理論的協(xié)調(diào)。