浩瀚宇宙中最冷的地方在哪里

2022/3/25 10:20:28 来源:新浪科技 作者:任天 责编:长河

北京时间 3 月 25 日消息,据国外媒体报道,空荡荡的星系际空间温度只有 2.725K,比绝对零度高不到 3 度。然而,这还不是宇宙中最冷的地方,因为回力棒星云的温度更冷

哈勃太空望远镜拍摄的回力棒星云彩色编码图像。从恒星中喷射出来的气体以极快的速度膨胀,导致该星云绝热冷却。其中有些地方甚至比大爆炸遗留的辉光——宇宙微波背景——还要冷。

▲ 哈勃太空望远镜拍摄的回力棒星云彩色编码图像。从恒星中喷射出来的气体以极快的速度膨胀,导致该星云绝热冷却。其中有些地方甚至比大爆炸遗留的辉光 —— 宇宙微波背景 —— 还要冷。

想象一下,宇宙中最冷的地方会是什么样子?在那里,组成物质的粒子以超乎想象的慢速运动,接近于真正静止的量子极限。那里也没有重要的内部热源,来吸收这些粒子,更没有重要的外部热源对它们进行加热。

从物理学的角度,这个地方应该尽可能远离所有移动的粒子和辐射源;尽可能远离恒星、星系和正在收缩的气体云,同时屏蔽掉任何外部的光子源。如果你前往星系际空间的最深处,远离星光,唯一能让你升温的东西就是大爆炸的余辉:2.725K 的宇宙微波背景。然而,就在我们所处的银河系中,有这么一个地方比星系际空间还要冷。这就是回力棒星云(Boomerang Nebula)。

巴纳德68星云(Barnard 68)的博克球状体,其中富含宇宙尘埃。左图为可见光图像,右图为红外图像。该星云的温度低于20k,导致其在可见光和近红外光下都不可见,但与宇宙微波背景的温度相比,它仍然相当温暖。

▲ 巴纳德 68 星云(Barnard 68)的博克球状体,其中富含宇宙尘埃。左图为可见光图像,右图为红外图像。该星云的温度低于 20k,导致其在可见光和近红外光下都不可见,但与宇宙微波背景的温度相比,它仍然相当温暖。

无论去往宇宙的任何地方,你都要面对热源。离热源越远,你感受到的温度就越低。地球距离太阳大约 1.5 亿公里,温度十分适宜,保持在 300K(0K=-273.15℃)左右。如果没有我们的大气层,地球的温度会比现在低大约 50℃

向太阳系的边缘移动,物体接收到的太阳辐射就越少,温度就越低。例如,冥王星的温度只有 44K,冷到足以使液氮冻结。

我们还可以更进一步,去到更加空寂的地方,比如星际空间,那里与最近恒星的距离以光年计。寒冷的分子云孤独地漫游在整个星系中。就温度而言,它们甚至比我们在太阳系中所能找到的最遥远的星球还要冷:仅比绝对零度高 10K 到 20K。

由于恒星、超新星、宇宙射线、恒星风等都在为整个星系提供能量,我们很难在银河系中找到比这更冷的地方了。只有在距离最近恒星数百万光年的星系际空间,宇宙微波背景才会成为唯一重要的热源。毕竟,宇宙大爆炸是在空间各处同时发生的,其留下的辐射以光速传播,在各个方向几乎一模一样。随着宇宙的膨胀,辐射逐渐冷却下来,但我们今天仍然可以观察到这些大爆炸的遗留。它们被称为宇宙中最古老的光,经过 138 亿年的时间和空间旅行,终于被我们探测到。

鹰星云以其中正在形成的恒星而闻名,包含了大量的博克球状体,即暗星云。这些球状体尚未蒸发,处于坍塌过程中,在完全消失之前会形成新的恒星。尽管这些球状体的外部环境可能非常热,但其内部可以免受辐射的影响,温度能够达到非常低的水平。

▲ 鹰星云以其中正在形成的恒星而闻名,包含了大量的博克球状体,即暗星云。这些球状体尚未蒸发,处于坍塌过程中,在完全消失之前会形成新的恒星。尽管这些球状体的外部环境可能非常热,但其内部可以免受辐射的影响,温度能够达到非常低的水平。

在绝对零度以上不到 3K 的地方,这些几乎无法探测到的光子是周围唯一的热源。由于宇宙中的每一个地方都不断受到红外、微波和无线电光子的轰击,你可能会认为 2.725K 是自然界中最冷的温度。想要有更冷的体验,你必须等待宇宙进一步膨胀,拉伸这些光子的波长,并冷却到更低的温度。

当然,这是迟早会发生的事情。当宇宙的年龄是现在的两倍,即再过 138 亿年时,星系际空间的温度将仅比绝对零度高 1K。然而,我们现在就可以找到这样一个地方,其温度甚至比星系际空间的最深处还要低。

你甚至不需要离开银河系!回力棒星云就在银河系当中,距离我们只有 5000 光年。1980 年,科学家在澳大利亚的赛丁泉天文台首次观测到这个星云,它看起来呈不对称的双叶状,其弯曲处的弧度像是澳洲原住民使用的回力棒,也因此得名。更清晰的观察结果向我们展示了这个星云的真实面目:这是一个前行星云,是一颗垂死的类太阳恒星生命的中间阶段。

如果我们能看到微波光,夜晚的天空看起来就会像2.7K温度下的绿色椭圆形,中部的“噪声”来源于温度更高的银道面。这种具有黑体光谱的均匀辐射是大爆炸余辉,即宇宙微波背景的证据。

▲ 如果我们能看到微波光,夜晚的天空看起来就会像 2.7K 温度下的绿色椭圆形,中部的“噪声”来源于温度更高的银道面。这种具有黑体光谱的均匀辐射是大爆炸余辉,即宇宙微波背景的证据。

所有类太阳恒星都会演变成红巨星,并在“行星状星云 / 白矮星”的组合中结束它们的生命。在这个组合中,外层会被吹走,中心核心收缩成一个高温、退化的状态。但是在红巨星和行星状星云阶段之间,还存在一个前行星云阶段。

前行星云出现在恒星外层气体壳被吹散之后,但在恒星内部温度升高之前。前行星云的型态有时是一个球体,但更常见的是双极、多节的喷流形式,喷出物从恒星的局部附近,延伸到恒星系统之外,进入星际介质。

这个阶段存在时间短暂,只持续几千年。

目前只有十来颗恒星被发现处于这个阶段。在它们当中,回力棒星云是很特殊的一个。它排出的气体比正常速度快 10 倍,移动速度达到 164 公里 / 秒;它的质量损失速度比正常情况下更快:每年损失的物质大约相当于海王星的两倍。这一切导致回力棒星云成为已知宇宙中最冷的自然区域,该星云某些部分的温度只有 0.5K,极其接近绝对零度。当温度很低的时候,粒子物质波的波长很长。1995 年,天文学家使用位于智利的欧洲南方天文台(ESO)次微米波望远镜对回力棒星云进行了观测。

回力棒星云是一个年轻的、仍在形成中的行星状星云,也是目前已知的宇宙中最冷的地方

▲ 回力棒星云是一个年轻的、仍在形成中的行星状星云,也是目前已知的宇宙中最冷的地方

其他的行星状星云和前行星云都比回力棒星云热得多,但其背后的物理原理其实是很容易理解的。你可以深吸一口气,屏住三秒钟。接着,你可以把手放在距离嘴巴 15 厘米的地方,进行以下两种尝试:

(1)张开嘴呼气,你会感觉到温暖的空气轻轻吹在手掌上;

(2)噘起嘴唇,开一个小口吹气,你会感到吹到手上的空气变冷了。

在这两种情况下,你体内的空气都经过了加热,并且一直保持较高温度,直到经过你的嘴唇。当你把嘴张大时,空气会慢慢流出,温暖你的手;但如果小口吹气,空气就会迅速膨胀 —— 在物理学中称为“绝热膨胀”—— 并在这一过程中冷却。

IRAS 2006+84051前行星云比回力棒星云温度更高,但与回力棒星云一样,它也代表了红巨星和最终的行星状星云/白矮星阶段之间的中间阶段。

▲ IRAS 2006+84051 前行星云比回力棒星云温度更高,但与回力棒星云一样,它也代表了红巨星和最终的行星状星云 / 白矮星阶段之间的中间阶段。

形成回力棒星云的恒星外层拥有所有这些相同的条件:

(1)存在大量的热物质;

(2)热物质以难以置信的速度被喷射出去;

(3)从一个微小的点(或者更确切地说,是两个点)喷出;

(4)有足够的空间来膨胀和冷却。

这是一张回力棒星云的毫米波长图片,其中在浅白色的可见光视图上覆盖了射电数据。

▲ 这是一张回力棒星云的毫米波长图片,其中在浅白色的可见光视图上覆盖了射电数据。

这是回力棒星云及其周围区域的彩色温度图。蓝色区域是膨胀最大,温度也最低的区域。

▲ 这是回力棒星云及其周围区域的彩色温度图。蓝色区域是膨胀最大,温度也最低的区域。

因此,当回力棒星云释放出的物质进一步延伸到周围的介质当中时,就会膨胀并冷却。这些物质的冷却速度远远快于周围的辐射,包括来自其他恒星和宇宙微波背景的辐射,后者可以使其升温。当然,回力棒星云不会永远保持这样的低温,但就目前而言,它明显低于宇宙中其他所有物质的有效最低温度 ——2.725K

回力棒星云的惊人之处还在于,它所拥有的特征在被发现之前就已经有人预测到了。天文学家 Raghvendra Sahai 计算出,前行星云在条件合适的情况下(上面列出的条件),可以达到比宇宙中任何自然事物都要低的温度。Sahai 是 1995 年回力棒星云观测团队的一员,他们进行了关键的长波长观测,确定了回飞棒星云的温度,并发现了与预期精确吻合的结果:这是宇宙中温度最低的自然区域。即使是 2022 年的今天,这一结果仍然成立。

哈勃太空望远镜拍摄的蛋星云。这是一个双极的前行星云,其外层还没有被中心收缩的恒星加热到足够的温度。尽管在许多方面与回力棒星云相似,但它的温度要高得多。

▲ 哈勃太空望远镜拍摄的蛋星云。这是一个双极的前行星云,其外层还没有被中心收缩的恒星加热到足够的温度。尽管在许多方面与回力棒星云相似,但它的温度要高得多。

回力棒星云拥有宇宙中最冷自然温度的原因是绝热膨胀,即物质被迅速被排到一个环境中时,会以一种相对不受抑制的方式膨胀。至于回力棒星云为什么会以如此快的速度,以及如此精确的方式喷射出所有这些物质,目前还不得而知。这是一个富有争议且高度活跃的研究领域。到目前为止,回力棒星云是我们捕捉到的唯一一个温度低于大爆炸余辉的前行星云。但是,它绝不可能是唯一的例子。

宇宙的更深处可能还有比回力棒星云更冷的地方。我们要做的就是继续寻找。也许有一天,太阳系中心的恒星 —— 太阳 —— 会打破这个记录,它的残留物质也许会在很短的一段时间内,降到宇宙中最低的温度。

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关键词:宇宙

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