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比真空更冷!宇宙中最冷的地方,竟然离我们这么近

发布时间:2019-02-12 18:16:04
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哈勃望远镜拍摄的旋镖星云彩色图像。这颗恒星喷出的气体快速膨胀,导致其在绝热状态下冷却,其内部部分区域的温度甚至低于大爆炸的余辉。(图片来源:NASA/HUBBLE/STSCI)
哈勃望远镜拍摄的旋镖星云彩色图像。这颗恒星喷出的气体快速膨胀,导致其在绝热状态下冷却,其内部部分区域的温度甚至低于大爆炸的余辉。(图片来源:NASA/HUBBLE/STSCI)

  来源:环球科学

  撰文:Ethan Siegel 、Starts With A Bang 团队

  不考虑实验室中人造的低温环境,宇宙中最冷的地方在哪里?自然条件下的最低温度又是多少?

  在我们的想象中,最冷的地方应该空无一物——没有移动的粒子、没有额外的辐射,只有无处不在的宇宙微波背景辐射。然而,事实并非如此。已知的宇宙最低温度,就出现在银河系内,距离我们仅 5000 光年的一个特殊星云中。

  尽你所能想象一个极寒之地,其中组成物质的粒子运动“极”慢,慢到接近绝对静止。在内部没有多余的热量供粒子吸收,外部也没有热源为其供能。

  理论上来说,这个粒子需要离任何移动粒子及辐射越远越好,此外还要尽可能地远离恒星、星系和收缩的气体云,并且屏蔽掉所有外部光子。在星系间最理想的隐蔽之地,所有的星光都照射不到,只有大爆炸的余辉——2.725 K 的宇宙微波背景辐射给粒子提供热能。但这还不足以描述宇宙中最冷的地方,我们自己星系中的旋镖星云就比那里更冷。

  隔绝热源

  不论你去往宇宙何处都会遇上热源,你离它们越远就越冷。地球距太阳 1.5 亿千米,温度保持在 300K(约 27℃)左右。但如果没有大气层,这个温度将会低近 50K。再往远处走,太阳的供热能力就越来越弱了。比如冥王星只有 44K,这个温度足以使液氮冻结。但这还离最冷有一段距离,为了隔绝恒星的热能,我们需要去一个更为孤立的地方,比如星际空间。

  在星系中独自漫游的冷分子云温度仅比绝对零度高出 10 K 到 20 K。由于恒星、超新星、宇宙射线、恒星风等都会为星系提供能量,因此在银河系内很难比冷分子云更冷。只有在星际空间中,距离最近恒星也有数百万光年的情况下,宇宙微波背景辐射才能成为唯一的热源。

如果微波可视,夜空看起来会像代表 2.7 K 的绿色椭圆形,中心的“噪音”是由我们较热的星系平面造成的。这种带有黑体光谱的均匀辐射就是宇宙微波背景辐射,是宇宙大爆炸余辉的证据。(图片来源:NASA / WMAP SCIENCE TEAM)
如果微波可视,夜空看起来会像代表 2.7 K 的绿色椭圆形,中心的“噪音”是由我们较热的星系平面造成的。这种带有黑体光谱的均匀辐射就是宇宙微波背景辐射,是宇宙大爆炸余辉的证据。(图片来源:NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

  当温度低于 3K 时,几乎无法检测到的光子将成为四周唯一的热源。由于宇宙各处都会不断受到红外、微波和射电光子的轰击,你可能以为宇宙微波背景辐射的 2.725 K 就是自然界中的最冷温度了。想要更冷,就得等宇宙进一步膨胀,拉伸光子波长。

  假以时日,这当然会发生。138 亿年后,等宇宙年龄达到现在的两倍,其温度会降到仅比绝对零度高 1K。但现在,就有一个地方比星际空间最深处还冷。

 旋镖星云是一个年轻的成型中行星状星云,也是目前所知宇宙中最冷的地方。(图片来源:ESA/NASA)
旋镖星云是一个年轻的成型中行星状星云,也是目前所知宇宙中最冷的地方。(图片来源:ESA/NASA)

  旋镖星云

  这个地方就在银河系中,距离我们仅 5000 光年。1980 年,它于澳大利亚被观测到。因其不对称的两叶状外观与澳大利亚土著使用的武器回旋镖相似,该星云被命名为“旋镖星云”(Boomerang Nebula)。进一步的研究表明它是一个前行星状星云,相当于类太阳恒星死亡过程的中间阶段。

  所有类太阳恒星都会演变成红巨星,并以行星状星云、白矮星结合体的形式结束生命——外层被吹走,核心坍缩成热的简并态。但是在红巨星和行星状星云之间,还有一个被称作“前行星状星云”的过渡阶段。

前行星状星云 IRAS 2006+84051 比旋镖星云更热,但也处于红巨星到行星状星云/白矮星的过渡阶段。(图片来源:ESA/HUBBLE & NASA)
前行星状星云 IRAS 2006+84051 比旋镖星云更热,但也处于红巨星到行星状星云/白矮星的过渡阶段。(图片来源:ESA/HUBBLE & NASA)

  前行星状星云阶段出现在恒星内部温度升高之前,在恒星外层开始被吹走之后。被吹走的气体通常在恒星的两极发生喷射,喷射物从恒星系统被抛射至星际介质中。这个阶段只持续短暂的几千年。目前仅发现了十几颗处在这个阶段的恒星,旋镖星云就是其中一例。它的气体排出速度为每秒 164 千米,大约是正常速度的 10 倍。因此其质量损失的速度也要高于正常值,每年大约损失两个海王星的质量。鉴于此,它是已知宇宙中最冷的天然场所,某些区域甚至达到 0.5K,仅比绝对零度高半摄氏度。

旋镖星云的毫米波长图,这个空间区域的黯淡可见光视图被无线电数据覆盖。(图片来源:NRAO/AUI/NSF/NASA/STSCI/JPL-CALTECH)
旋镖星云的毫米波长图,这个空间区域的黯淡可见光视图被无线电数据覆盖。(图片来源:NRAO/AUI/NSF/NASA/STSCI/JPL-CALTECH)

  任何其他行星状和前行星状星云都比旋镖星云热得多,原因很简单。我们可以通过呼吸来理解:深呼吸,憋气 3 秒再呼出,将手放在嘴巴 15 厘米前。你可以用两种方式分别完成:

  1、张大嘴呼气,你能感受到暖风缓慢吹到手上。

  2、嘴唇仅留一条缝吐气,此时呼出的气感觉较冷。

  在这两种情况下,你吸入的空气被加热并保持在较高的温度,直到被呼出。张大嘴呼气时,由于离开的气流较慢,你的手会感到温暖。但是当从一个很小的开口呼气时,空气会迅速互相挤压向外做功,发生绝热膨胀,这一过程加速了空气冷却。

  诞生了旋镖星云的恒星外层满足所有条件:大量热物质被从两个小口快速喷射出,并有足够空间膨胀并冷却。

  神奇的是,有人在旋镖星云被发现前就已经预言了它的存在。天文学家 Raghvendra Sahai 曾通过计算提出,符合前述条件的前行星状星云的温度,可以低于宇宙微波背景辐射。Sahai 此后在 1995 年参与了对旋镖星云长波的测量,其团队测定的旋镖星云温度,是目前已知宇宙中可天然达到的最低温。

 旋镖星云及其周围区域的温度图。蓝色区域的膨胀最大,所以温度最低。(图片来源:NASA / SPL)
旋镖星云及其周围区域的温度图。蓝色区域的膨胀最大,所以温度最低。(图片来源:NASA / SPL)

  旋镖星云是目前发现的唯一一个温度低于大爆炸余辉的前行星状星云,但它不是唯一的一个,宇宙中还可能有更冷的地方。我们还将继续寻找。说不定,我们自己的恒星——太阳,也能在其生命晚期打破这项纪录呢。

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