摘要：白矮星刚形成时，表面温度可以高达十几万度，内部温度更是上亿。在不考虑暗物质和质子衰变的前提下，白矮星由于缺少能量来源，对外辐射只能依靠自身残余的热量，因此接下来它会迎来一个快速冷却期。大概只要十几亿年，白矮星的表面就会从十几万度一下子降到只有几千度。之后，白矮
太阳会变成白矮星，白矮星最终会变成黑矮星，那黑矮星又会变成什么呢？
我们知道，大约50亿年后，太阳会膨胀成一颗红巨星，大到甚至可以覆盖火星轨道。之后，随着外层物质流失，最终它只会剩下一颗小小的核心，也就是白矮星。
白矮星刚形成时，表面温度可以高达十几万度，内部温度更是上亿。在不考虑暗物质和质子衰变的前提下，白矮星由于缺少能量来源，对外辐射只能依靠自身残余的热量，因此接下来它会迎来一个快速冷却期。大概只要十几亿年，白矮星的表面就会从十几万度一下子降到只有几千度。之后，白矮星的冷却速度会逐渐放缓，最终趋近于宇宙背景的温度（也就是接近绝对零度）。该过程时间之漫长远超如今的宇宙年龄，所以迄今为止我们从未见过彻底冷却的白矮星。
除了时间上不允许外，此时的白矮星因为已经凉透，几乎无法再向外发出任何辐射，看起来应该就是一个黑漆漆的球，可能和黑洞差不多，只是质量要小得多，引力效应没有黑洞那么明显。这时候再叫它“白矮星”好像已经不太合适，因此科学家给它起了一个更贴切的名字——“黑矮星（Black dwarf）”。那黑矮星就是太阳最终的结局吗？
其实黑矮星是白矮星的一种特殊类型，它本质上还是白矮星（只是温度极低），所以黑矮星的内部物质和白矮星一样，也是电子简并态。所谓电子简并态，就是物质在极高压力下，内部的原子被紧紧压缩在一起。压缩到什么程度呢？此时核外电子甚至突破了自己原本所在的轨道，全都被挤到了紧挨原子核的轨道上。本来原子核之间有着巨大的空隙，如果原子是足球场，那么原子核只是草地上的一只蚂蚁。但现在，处于电子简并态的物质中，电子的活动范围被大大缩小，原子核之间已经不再有那么多空隙。原本一只蚂蚁要见另一只蚂蚁需要穿过一整个足球场，但现在抬头一看，周围全是蚂蚁。
虽然很挤，但黑矮星这种电子简并态天体非常稳定。因为质量有限，它没法把原子的核外电子继续向内挤压，压入原子核，成为中子星。所以对黑矮星来说，电子简并态将会伴随它的一生，直到遇到一种情况——量子隧穿（Quantum tunneling）。
在量子世界，不确定性原理的存在允许让微观粒子出现在任何地方。对于两个已经挨得很近的原子核来说，它们有极低的概率会通过量子隧穿发生融合。虽然这种“冷核聚变”发生的概率非常非常低，但只要时间足够长，再低的概率那也是必然的。而且对于太阳这种中小质量恒星来说，它们通常只能聚变到碳和氧，所以它们形成的白矮星和黑矮星理论上确实还有一定的聚变空间。当黑矮星经历了无法想象的漫长时间后，它内部的碳和氧会逐渐聚变到铁。虽然这种变化发生得极为缓慢，但正是这种缓慢的变化为早已凉透的黑矮星埋下了崩溃的种子。
对于氧和硅来说，它们的质子-中子比例比较均衡，原子核里基本上是一半质子一半中子。但是铁的质子比例就比较低了，质子比中子要少几个。在聚变到铁的过程中，多余的质子会通过俘获电子转化成中子。
（质子 + 电子 → 中子 + 电子中微子）
每转化一个质子会消耗一个电子，这样每形成一个铁核，大约就会消耗掉2个电子。随着电子被不断“吃掉”，电子数量的减少会导致电子简并压变弱。当简并压不足，内部缺少足够的支撑时，此时早已凉透的黑矮星将被重新“激活”，开始继续向中心坍缩。
黑矮星继续坍缩会发生什么？有两种情况：对于质量比较较大的黑矮星来说，随着核心密度升高，此时铁核开始俘获电子，电子简并压被进一步削弱。当核心密度继续升高，此时原子核的边界开始消失，质子、中子和电子三者逐渐混在一起，最终中子占据了绝大部分比例，此时的黑矮星便成为了一颗中子星。新形成的中子星温度会再次飙升，但该过程更像是一种“回光返照”，很快它就会再次冷却，成为一颗“黑中子星”。
对于小质量黑矮星来说，它的内部已经完全铁化（几乎没有包层），此时坍缩的引力势能无法通过其他方式释放，只能直接向外引爆。于是这颗黑矮星会以类似超新星爆发的方式结束一生，只是亮度要低得多。
不管是哪种情况，在这个过程中，最令人震撼的是时间尺度。有科学家计算，大质量黑矮星会率先“引爆”，时间大约在10^1100年后！没错，“1”后面跟着1100个“0”。而小质量黑矮星的爆发要等得更久，大约会在10^32000年后发生！对于这个时间尺度你可能已经没什么概念，作为对比，霍金辐射够慢了吧，普通的恒星级黑洞被霍金辐射蒸发完也才只需10^67年，就算是星系中心的超大质量黑洞，蒸发时间也不过10^100年左右。也就是说，在遥远的未来，空荡的宇宙中剩下的也许不是一个个黑洞，而是一颗颗的黑矮星。而随着黑矮星的爆炸，世间万物将不复存在。到那时已彻底没有能量流动，宇宙将从此步入热寂时代。
这么看来，霍金辐射似乎也不是很慢……之前说过，霍金辐射本质上是一种被称为“安鲁效应（Unruh effect）”的现象，该现象不止出现在黑洞身上，任何具有引力场的物体都应该适用。理论上来说，中子星、白矮星甚至是世间万物都存在着霍金辐射，只是这些物体的霍金辐射更加微弱而已。假如白矮星也有霍金辐射的话，那黑矮星还能存活那么久吗？甚至说黑矮星这种天体还会存在吗？
2025年5月，一篇发表于《宇宙学与天体粒子物理学杂志》上的文章中，研究人员考虑了在没有事件视界的情况下，仅靠时空曲率导致的黑洞蒸发情况。
经过推导他们发现，物体的蒸发时间（τ）与天体密度（ρ）的1.5次方成反比（τ ∝ ρ^-1.5)。据此可以算出，假如不考虑其他因素的话，人体通过霍金辐射蒸发需要10^90年，月球蒸发需要10^89年，白矮星蒸发需要10^78年。可以看出，当把霍金辐射考虑进来后，白矮星的寿命其实远没有想象的那么久（也就和恒星级黑洞差不多），根本等不到变成黑矮星的那一天。如果宇宙中不会出现黑矮星，那这也意味着，宇宙的末日或许比我们预想的要更早到来。
[1] M E Caplan, Black dwarf supernova in the far future, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 497, Issue 4, October 2020, Pages 4357–4362
[2] Heino Falcke, Michael F. Wondrak and Walter D. van Suijlekom. An upper limit to the lifetime of stellar remnants from gravitational pair production. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. (2025)023
来源：Linvo说宇宙
