08.14 宇宙中最冷的地方在哪裡?有多冷?

宇宙中最冷的地方在哪裡?有兩個地方可以榮膺這項榮譽:太空中的一個星雲,或者是麻省理工學院的一間實驗室。

宇宙中最冷的地方在哪裡?有多冷?

不管是哪個地方,你最好多穿點衣服,因為這些地方真的不是一般的冷。

宇宙中最冷的地方在哪裡?有多冷?

宇宙中最冷的地方几乎接近絕對零度。

2013年,天文學家利用智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA),測量了“回力棒星雲”的溫度,結果發現,該星雲的溫度達到了攝氏零下272度,也就是隻比絕對零度高1攝氏度。回力棒星雲由塵埃和電離氣體構成。

這個年輕的行星狀星雲距離我們5,000光年,它擁有一個病態的創造者:其中心是一顆垂死的恆星。隨著時間的推移,宇宙中質量較小的恆星(大約是太陽質量的八倍或者更少)會演變成所謂的紅巨星。

宇宙中最冷的地方在哪裡?有多冷?

哈勃太空望遠鏡上的相機拍攝了這張照片,其中展示了回力棒星雲的斑斕色彩。

這類恆星的生命歷程是這樣的:隨著恆星核心中的氫被燃燒殆盡,氫聚合成了氦,其亮度實際上會有所增加。那是因為。恆星已經無法產生足夠多的熱能來支持自身的重量,因此剩餘的氫開始在核心外層遭到壓縮。這種壓縮會產生更多的能量,但造成的結果是:隨著外層不斷擴張,整個恆星會變得更加膨脹。因此,儘管恆星變得更明亮了,但外層氣體的溫度卻會下降,而恆星看上去也會顯得更紅。紅巨星非常大;當太陽變成紅巨星時,它的最外層將把地球當前的公轉軌道囊括在內。

最後,紅巨星會把氫燃燒得乾乾淨淨。接著,那些質量更大的紅巨星將開始把氦聚合成更重的元素,但這個過程同樣存在限度,一旦聚變達到限度,恆星的中心層就會發生坍縮。到了那個時候,恆星將演變成一顆白矮星,它基本上就是恆星耗盡燃料之後剩下的超密度核心。在坍縮過程中,恆星的外層氣體會被拋出,因為紅巨星實在太大了,它對外層物質的引力作用非常微弱。來自白矮星的光會照亮這些氣體,而我們能觀測到的就是華麗的行星狀星雲。

這些氣體向外擴張的速度非常快,最高超過585,000公里/小時。這就是行星狀星雲如此寒冷的原因,有的甚至比大爆炸之後的宇宙背景輻射(大約是攝氏零下270度)還要冷。

隨著氣體不斷擴張,它們的溫度會越來越低。這是因為擴張會導致壓力降低,而壓力降低會讓氣體分子的運動減慢。(溫度基本上就是對分子運動速度的量度。分子運動速度越快,氣體的溫度就越高。)

我們在使用壓縮氣罐清潔電腦時,也可以觀察到相同的現象:當我們對外噴氣時,氣罐的溫度會下降,因為內部空氣的壓力正在迅速下降。使得氣體噴出的一些能量正是轉化自氣罐中的熱能。由於回力棒星雲中的氣體被中央恆星以非常快的速度拋出,大量熱能在眨眼之間就被消耗掉了。

美國宇航局噴氣推進實驗室的拉赫溫德拉·薩哈伊(Raghvendra Sahai)認為,回力棒星雲的溫度比其他對外擴張的星雲還要低,因為它拋出物質的速度是那些死亡恆星的大約100倍,或者說,與太陽向外拋射物質的速度相比,是它的1,000億倍左右。

但是,地球上最冷的地方又在哪裡呢?

麻省理工學院的研究人員將鈉鉀氣體冷卻到500毫微開爾文。(較小的球體是鈉原子,較大的球體是鉀原子。)

2015年,麻省理工學院的一群物理學家把原子冷卻到了有史以來最低的溫度:500毫微開爾文,相當於0.0000005開爾文,華氏零下459.67度或攝氏零下273.15度。這要比回力棒星雲冷多了,但這只是因為科學家使用激光,對個別鈉原子和鉀原子進行了冷卻處理。

不過,這一紀錄也許會被打破,因為很多科學家都在繼續努力讓氣體變得更冷。噴氣推進實驗室建造了名為“冷原子實驗室”的儀器,並在今年把它送上了國際空間站。該儀器已經制備了太空中最冷的已知物體,也許很快,它還會給我們帶來宇宙中最冷的已知物體。

翻譯:何無魚

校對:李莉

造就:劇院式演講,發現創造力


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