宇宙正在衰亡!6 項指標,說明宇宙的巔峰時期已經結束

雖然太陽依舊升起,星星依舊在夜空中閃耀,但如今的宇宙,活躍度已經比以往降低許多,新生的恆星愈來愈少。而根據熱力學第二定律,隨著時間推移,宇宙的活躍度將持續降低,等到熵(Entropy)達到最高值,宇宙就會進入熱寂(heat death)的終極狀態。屆時,宇宙將滅亡。

根據天體物理學博士 Ethan Siegel 的說法,宇宙的「巔峰時期」已經過去了。從大爆炸以來,宇宙會發生的大部分事件已經發生了,如同一個幾乎燒盡的火種,我們今天剩下的僅是餘溫。Siegel 指出,以下 6 項指標:

▌恆星的形成率
▌生命誕生的機會
▌剩餘的恆星物質
▌引力與膨脹的關係
▌宇宙的熵值演變
▌能量釋放事件

是宇宙正在走向衰亡的證據。

恆星的形成率:今天僅剩巔峰時期的 3% 到 5%

目前宇宙仍然活躍。在星系合併、吸收氣態物質、引力塌陷等狀況下,會有大規模的恆星誕生。以銀河系為例,40 億年後,銀河系會與仙女座合併,屆時將會有大規模的「星爆」(starburst),銀河系也會成為巨大的星系。

透過量測星爆事件的頻率,科學家發現,過去的恆星形成率比現今大得多。大爆炸後 20 到 30 億年,恆星的形成率達到巔峰;今天,恆星形成率只有當時的 3% 到 5%,而且有持續下降的趨勢。因此,目前宇宙中大部分的恆星已經形成了;隨著時間推移,新生的恆星將持續下滑。

生命誕生的機會:出現適合培養生命的恆星的機率降低

如果要讓生命生存,就必須要有岩石、持續的能量來源(例如穩定的恆星),以及足夠的輕元素和重元素,提供組成生命的原料。在宇宙誕生初期,由於沒有足夠的重元素,因此誕生生命的機率比現在小。但目前宇宙中最輕、最常見的恆星「紅矮星」並無法提供適合生命生存的條件,因為它們的岩石行星有很大的可能會被潮汐鎖定,受到恆星的耀斑影響,也會接收到大量的電離輻射。

現今,大多數可以培養生命的恆星已經形成。隨著新生恆星數的降低,未來誕生該類恆星的機率也降低,生命出現的機率隨之減少。

剩餘的恆星物質:重元素誕生的機會下降

氫是恆星的燃料,透過核融合,恆星會將氫轉為氦,再轉為其他的重元素。目前宇宙已誕生 138 億年,宇宙從最初的 75% 氫、25% 氦的比例,轉為 70% 氫、28% 氦、2% 其他元素。因此,氫仍是宇宙的主要元素。

但是在恆星的形成過程中,只有大約 10% 的氫會成為恆星,其餘則被拋在星際當中;另外,在星系合併的過程中,氣體也會從星系剝離到星際空間。加上行星的形成率降低,重元素誕生的機會也隨之下降。

引力與膨脹的關係:暗能量主導,宇宙加速膨脹

宇宙誕生後,引力與膨脹即展開激烈競賽,引力讓星系成長,而膨脹讓星系分離。在大爆炸後的 70 億年裡,引力與膨脹抵銷,因此得以形成恆星、星團、星系、星系群等結構。但宇宙密度隨著宇宙膨脹降低,降到一定程度後,暗能量開始主導宇宙,引力影響力降低,宇宙加速膨脹。

因此,宇宙的引力結構大約在 70 億年前成形,若當時有物質沒有受到引力束縛,未來受到束縛的可能性微乎其微。目前,宇宙中的引力束縛結構已停止成長,星系的合併率急速下降,而位於星際間的物質則會停留在那裏,難以形成恆星等星體。

宇宙的熵值演變:不斷增加,終會達到最大值

在低熵系統中,有更多的能量可以轉換成有用的功;根據熱力學第二定律,宇宙的熵會隨著時間的推移增加。因此提取能量和做有用功的空間也越來越小。

根據學界計算,大爆炸後的宇宙熵值為 10^88 kB,今天的熵是 10^103 kB。當熵達到 10^120 的最大值,宇宙就達到熱平衡,無法再做有用的功。

能量釋放事件:超新星爆炸機率降低

核融合會在恆星中維持數億到數兆年。恆星死亡後,殘骸可能會重新融合,點燃核聚變反應,形成新星、超新星,並釋放大量 gamma 射線。

但宇宙中的超新星爆炸大多已發生,而且發生機率不斷降低。另外,質量較輕的物質會往星體內部下沉,而質量輕的物質(例如氫)則會被拋到星際空間,加上宇宙膨脹,這類物質再次融合的可能性降低。

從以上 6 個指標來看,宇宙的輝煌時代早已過去,除非學者對物理本質的理解錯誤,不然從人類掌握的知識推論,宇宙正在走向滅亡之路。只不過這條路還很長,目前仍有不少新恆星誕生,宇宙仍在持續演化。或許人類根本活不到那時候,但透過研究宇宙的未來,能讓人類了解自己的渺小,並愛惜自己生存的家園。

參考資料

Forbes

(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Pixabay CC Licensed

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