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宇宙什么时候才能出现第一个“黑矮”星

138亿年的时间还不够长，但只要耐心等待，太阳变成黑矮星的那一天就会到来。

宇宙大爆炸发生在大约138亿年前，又过了5000万年到1亿年孕育出了宇宙中第一批恒星，自此宇宙星光熠熠。大量主要成分为氢气和氦气的物质受重力作用凝聚，成为致密天体，物体中心开始产生核聚变反应，使该物体变成真正意义上的恒星。

随着时间流逝，核聚变不断作用，恒星最后会耗尽可供聚变的燃料。有些情况下，恒星的质量足够巨大，核聚变反应还可以继续，但是到达某一时间点后，反应必定全部停止。然而，即使一颗恒星最终死亡，它们的残留物仍将继续发光。事实上，除了黑洞，宇宙中所有的恒星残余到如今仍在发光。接下来，我们来看看究竟要多久才能等到第一颗黑矮星。

图解 :鹰星云因其不断孕育出新恒星而闻名。鹰星云内部包含了大量博克球状体，也可以称之为暗星云，在没有完全蒸发之前，这些物质会持续向内坍塌，进而构造出新的恒星。虽然这些球状体的外部环境可能极热，但内部却因不受辐射影响而温度极低。

这一切起源于气体云。当分子气体云在自身重力作用下坍塌时，总会有一些区域比其他区域的密度大一点点。气体云中含有物质的区域都开始最大限度地吸收周围的物质，但是那些密度较高的区域则会更加高效地吸收物质。引力坍缩是个失控的过程，这意味着吸收的物质越多，就会有越多的物质向内坍塌。

一个分子云从一个巨大的、弥漫的状态变成一个相对坍塌的状态可能需要数百万到数千万年，然而一团呈现坍塌状态的致密气体只需要几十万年即可成为星群，此时在其最密集的中心部分开始发生核聚变反应。

图解：黑暗、朦胧的分子云，如银河系的分子云一样，会随时间坍塌，诞生出新恒星，其中物质密度最高的地方会构造出体积最大的恒星。

恒星颜色多样、亮度不一、大小异同，而且从恒星诞生的那一刻起，其寿命周期和命运就已经注定。当你创造出一个新的恒星群时，最容易注意到的就是最亮的那些，通常也是体积最大的那些。它们是现存最亮、最蓝、最热的恒星，其质量是太阳的数百倍，光度是太阳的数百万倍。

尽管最亮的恒星是那些看起来最壮观的恒星，但它们也是最稀有的恒星，在所有已知的恒星总数中所占比例远低于1%。这些稀有恒星的寿命也很短，无论那些恒星的核聚变正处于哪个阶段，其中心的核燃料最少再燃烧100万年至200万年即可消耗殆尽。

图解：哈勃空间望远镜在狼蛛星云中心观测到正在成型的星群，这是本星系群中已知的最大恒星形成区。其中最热、最蓝的恒星们是太阳质量的200多倍。

当这些最亮、质量最大的恒星燃烧殆尽，它们就会在壮观的II型超新星爆炸中死亡。当这种情况发生时，先是核心爆炸，从内向外坍塌，核心密度较低的变为中子星，核心密度较高的甚至可能变成黑洞，同时恒星外层分解，回归星际物质。

爆炸结束后，这些富化气会致力于培育新的恒星，为它们创造岩石行星和有机分子提供必要的重元素，在机率极小的情况下，神奇的生命就此诞生。据估计，至少有6代恒星爆炸后产生的分子气体云才最终孕育出我们的太阳以及太阳系。

图解：体积最大的恒星死亡时，因核聚变反应和中子俘获而富含重元素的外层则爆炸进入太空，变成星际物质，准备为新一代的恒星创造岩石行星、甚至生命提供原材料。

如果你想从超新星坍塌之后制造一个黑洞，则无需等待它慢慢变黑 。根据定义，黑洞在一瞬间就能达到几乎完美的“黑色”。如果核心坍塌时的能量足够形成黑洞表面，那么其内部物质会立刻坍塌为奇点。核心处剩余的光、温度、能量，都会被奇点吸收。

黑洞不会发射出任何光亮，只有在黑洞衰退、黑洞视界不断吸收周围物质而增长之时才会以霍金辐射的形式发出光亮。但也不是所有的大型恒星都会坍塌为黑洞，有些则是变成中子星，两者变化过程大相径庭。

图解：中子星是爆炸后的超新星的残余物，由剩余的坍塌核心构成。

中子星会吸收恒星核心所有的能量，并以极快的速度坍塌。当你拿起任何一样物品并快速挤压它，则会导致其内部温度升高，这也是柴油机内活塞的工作原理。恒星核心坍塌变成中子星的过程可以算是表现极速挤压的终极实例了。

主要成分为铁、镍、钴、硅以及硫、直径约上万千米的核心会在几秒钟到几分钟的旋转后坍塌成为直径小于等于16千米大小的球状体。其密度增加了大约10^¹⁵，温度急剧升高，核心温度可达到10^¹² 开氏度，表面达到10^⁶开氏度。那么这里就有一个问题。

图解：中子星体积小、整体亮度低，而且温度极高，需要较长时间冷却。如果你的眼神够好，你应该能看见它闪烁的光亮度比目前宇宙的年龄还要大上几百万倍。

因为所有的能量都储存在坍塌的恒星当中，其表面温度极高，不仅会呈现出可见光谱中的蓝白色光芒，而且大部分能量已经属于不可见光，甚至是紫外线光：这是x射线能量。球体存在的能量大到难以想象，而且能量只能通过中子星表面释放进宇宙，然而中子星的表面积又很小。所以，最主要的问题是中子星需要多久才能冷却呢？

问题的答案需要由物理学上一个晦涩的概念来解释—中微子冷却！中微子可以不受阻碍地携带能量直接穿过整个中子星，然而，一般的重子物质就可以完全阻挡光子（辐射）。要等到中子星表面的可见光消失，也就是10^¹⁶年，或者说等过了宇宙年龄的100万倍时间之后，中子星才可能完全冷却下来。有些中子星的冷却速度比较低，可能需要10^²⁰到10^²² 年才能冷却，那意味着你就要多等一段时间了。

图解：质量较低的类日恒星在耗尽燃料时表层会爆炸，向外抛射出行星状星云，核心则向内收缩为白矮星，需要极长时间才能冷却、变暗。

其它恒星就不需要那么长时间冷却、变暗。超过99%的恒星不会变成超新星，而是在恒星阶段末缓慢向内收缩为白矮星。之所以称之“速度缓慢”是因为比起超新星只需几秒钟至几分钟即可形成，而白矮星的形成过程则需要数十年、上百年、甚至几千年，不过恒星核心内部几乎所有的热量都能够在这段时间内保存下来。

中子星是将内部的热量集中在直径仅有10英里的球体之中，而白矮星则是将热量储存在地球大小的“小范围”区域之中，或者比中子星还要大上几千倍的区域。白矮星温度极高，是太阳温度的三倍，甚至可以超过20,000开氏度，但其冷却速度要比中子星快得多。

图解：白矮星（左图），反射我们太阳的光的地球（中图）和黑矮星（右图）的大小/颜色比较。

白矮星的中微子逃逸效果可以忽略不计，这意味着穿过白矮星表面的辐射是唯一重要的影响。我们计算通过辐射，白矮星的热量能以多快的速度逃逸，得知白矮星冷却（像太阳会产生）大概需要10^¹⁴到10^¹⁵年。之后，白矮星的残余物温度极低，只差几度便可达到绝对零度！

这也意味着差不多十万亿年，也就是目前宇宙年龄的1000倍后，白矮星的表面温度才会低至失去可见光。等这一天真的到来，宇宙会出现一种新物体—黑矮星。

图解：如今宇宙还太年轻，还不足以让恒星残余物冷却到肉眼无法看到的程度，更不用说比绝对零度高几度。

很抱歉让你失望了，目前宇宙中还没有黑矮星的存在。我们的宇宙现在还太年轻。事实上，在我们的理想估算中，从宇宙诞生出第一颗白矮星开始，冷却程度最高的白矮星仅发散了不到其总能量0.2%的热量。更加直观来说，假设白矮星本来的温度是20,000开氏度，那么它现在的温度就是19,960开氏度。如果我们想要得到一颗真正的黑暗恒星，还要等待一段无比漫长的时间。

目前，我们认为宇宙遍布恒星，恒星聚集的区域则是星系，每个星系独立而遥远。但是等到第一颗黑矮星出现时，星系群将会融合为一个星系（Milkdromeda），到那时，其中大部分恒星都将燃烧殆尽，幸存下来的都是恒星中质量最小、颜色最红、密度最高的恒星，除此之外只有黑暗，暗能量会将其它星系推得远远的，远到任何物理手段都无法接触、检测到它们的存在。

图解：等第一颗恒星残余物完全冷却需要漫长的时间，白矮星从红色变到不可见的红外线，再到黑矮星需要数百万亿年的时间。到那时，宇宙就不太可能再孕育出新的恒星了，几乎整个太空都将变成黑暗的世界。

但是，宇宙之中将出现一种新物体。虽然我们没机会看到或者体验这种新物体，但是通过对自然的认知，我们确定这种物体的确会存在，并且知道它会何时出现。科学让我们能预测极其遥远的未来，这是科学最奇妙的魅力之一！

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. 河踪-粉红派阿翻- medium

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