比霍金辐射更普遍：新的宇宙“消亡”机制被提出

广袤无垠的宇宙，在其漫长的演化史中，恒星诞生、发光、最终走向死亡。它们留下的遗迹——白矮星、中子星和黑洞——是宇宙中极端物理条件的实验室，也是构成未来宇宙图景的基本砖块。长期以来，我们认为这些致密天体，特别是那些不涉及质子衰变等不稳定因素的，可能拥有极其漫长的寿命，甚至在宇宙进入所谓的“简并时代”后依然存在数十亿亿年。然而，近期的一项重要研究，对这一传统观念提出了挑战，指出一种源于时空曲率的量子效应——引力对产生，可能为所有恒星遗迹设定了一个明确的寿命上限，并且这个上限远比我们之前想象的要短。

要理解这项研究的意义，我们首先需要回顾恒星演化的终点。当一颗恒星耗尽其核燃料，维持其对抗自身引力坍缩的向外压力消失时，它的命运就取决于其初始质量。质量较小的恒星会演化成白矮星，这是一种主要由简并电子压支撑的致密天体。质量更大的恒星则可能在超新星爆发后留下中子星，其密度极高，由简并中子压支撑。而质量最大的恒星则会坍缩形成黑洞，一个引力场如此强大以至于任何物质和信息（甚至光）都无法逃逸的天体，其边界被称为事件视界。

在传统的物理学框架下，白矮星和中子星一旦形成并冷却下来，如果没有外部干扰（如吸积伴星物质）或内在不稳定因素（如假定的质子衰变），似乎可以无限期地存在。黑洞则被认为会通过霍金辐射缓慢蒸发，这是一个由斯蒂芬·霍金提出的量子效应，即在黑洞事件视界附近，真空中的虚粒子对在强大引力场的作用下，一个粒子落入黑洞，另一个则成为实粒子逃逸，带走黑洞的能量和质量。这个过程极其缓慢，对于恒星级黑洞来说，其蒸发时间通常被认为远超宇宙的当前年龄。

这项新研究的核心创新在于，它将霍金辐射背后的基本物理图像——真空中的粒子对产生并受引力场影响而分离——推广到了不具有事件视界的致密天体。研究人员提出，时空的曲率本身就可以诱导虚粒子对的产生，并在强大的引力梯度作用下，使得其中一个粒子获得足够的能量成为实粒子逃离天体，而另一个粒子则被束缚或落回天体，这同样导致天体损失能量和质量，表现为一种缓慢的“蒸发”。他们称这种机制为“引力对产生”引起的辐射，它本质上是霍金辐射的一种更普遍的表现形式，适用于任何具有显著时空曲率的区域，而不仅仅是黑洞的事件视界。

他们深入研究了这种引力对产生引起的辐射如何影响恒星遗迹。通过建立简化的模型，研究人员计算了白矮星、中子星和恒星级黑洞的质量损失率和衰变时间。他们发现，这种“蒸发”机制的效率与天体的平均质量密度密切相关：密度越大，时空曲率越强，引力对产生的速率越高，天体的衰变越快。具体来说，他们得出了一个衰变时间与平均密度成反比的比例关系，大约为τ∝ρ^−3/2。

这项研究最引人注目的结果是它给出的具体衰变时间估算。根据他们的计算，白矮星的寿命上限约为 10^78年。虽然这个时间仍然非常漫长，远超宇宙目前约 10^10年的年龄，但与之前一些估计的白矮星在没有质子衰变的情况下可能持续到10^1100年相比，是一个巨大的缩减。这意味着，即使质子不衰变，白矮星最终也会由于引力对产生而消亡。

对于密度更高的中子星和恒星级黑洞，论文计算出的衰变时间约为 10^67 年。这个结果同样令人惊讶，因为它表明中子星的寿命与恒星级黑洞的寿命处于同一量级，尽管中子星没有事件视界。这进一步支持了引力对产生是一种普遍存在的辐射机制，而非仅限于黑洞。这个时间尺度也比之前认为的黑洞蒸发时间要短，尽管这取决于用于计算黑洞蒸发率的具体模型和假设。

这项研究的意义是深远的。首先，它为恒星遗迹的最终命运提供了一个新的物理机制。它表明，即使是宇宙中最稳定的一些结构，也无法逃脱由时空曲率和量子效应共同决定的缓慢衰减过程。这挑战了我们将这些天体视为“永恒”结构的直觉。

其次，它极大地缩短了我们对宇宙远期未来的预测中，恒星遗迹存在的持续时间。在关于宇宙热寂或最终状态的讨论中，白矮星通常被认为是构成未来宇宙的主体之一，其寿命长短对宇宙最终的图景至关重要。这项研究提出，恒星遗迹将在比之前设想的更短的时间内“蒸发”殆尽，这将加速宇宙进入一个更加空虚和低能的状态。

第三，这项工作加深了我们对引力与量子力学相互作用的理解。引力对产生是连接广义相对论与量子场论的关键环节。通过在黑洞事件视界之外探索这种效应，为研究量子引力效应提供了一个新的窗口，尽管目前仍是理论层面的探索。

当然，正如所有前沿研究一样，这项研究也有其局限性。例如，其模型对恒星遗迹进行了简化处理，现实中的天体具有复杂的内部结构和密度分布，这可能会影响精确的衰变率。未来的研究将需要更精细的模型来验证和改进这些计算。此外，引力对产生引起的辐射效应极其微弱，在可预见的未来几乎不可能直接观测到，因此其验证主要依赖于理论的自洽性和与其他物理理论的协调。