比宇宙本身更冷?5000光年外的一個地方,溫度僅比絕對零度高一度

天空之城 2022/07/27 檢舉 我要評論

根據記錄:地球上最冷的地方在 南極東部高原,最低溫度可達 -94°C。冥王星表面最低溫度為 -232.75°C。太陽系 奧爾特云的溫度為 -268.15°C ……在我們認知里,宇宙中的任何地方基本上都存在熱源,可能是恒星、超新星、類星體、星團等等,距離越遠,就越冷。所以宇宙中最冷的地方應該是可觀測宇宙的最邊緣,或者星際空間的最深處。

然而科學家發現,宇宙中最冷的地方距離我們只有5000 光年的 「回旋鏢星云」(Boomerang Nebula),盡管其中心有一顆 8倍太陽質量的恒星本應保持溫暖,但它的溫度僅 比絕對零度高一度

為什麼如此活躍的東西,即使在其垂死掙扎中,如何產生僅比所有分子運動停止點高出一攝氏度的溫度?

全宇宙最冷的地方?

「回旋鏢星云」是一個反射行星狀星云,充滿塵埃和電離氣體,距離地球約 5000 光年,位于半人馬座,于1980年被天文學家 Keith Taylor 和 Mike Scarrott發現。觀測顯示,與其他以白矮星為中心的行星狀星云不同,回旋鏢星云是一個年輕的行星狀星云,因此它內部的紅巨星仍在脫落其外層物質。

盡管它曾經與我們的太陽非常相似,但位于回力鏢星云中心的紅巨星已經耗盡了燃料,因此核聚變無法繼續進行。原始恒星的質量足夠低,以至于這種耗盡不會產生帶有由此產生的中子星或黑洞的超新星,而是經歷了某種「死亡」階段。

在這種最終狀態下,紅巨星的末日已近且確定,它正在脫落其外層的重元素,使其不再有能量融合成更重的元素。這個過程在由此產生的白矮星周圍產生了一個典型的充滿活力的星云——這顆恒星的超凝聚核心會散發出余熱和能量,但不會產生任何自身的新能量。

這個過程通常需要一些時間才能完成(從宇宙角度來說),但回旋鏢星云中的紅巨星非常特殊,其質量的流失速度比生命末期的類似恒星物體快約 100 倍。科學家估算, 星云中心的中心恒星在短短 1500 年的時間里已經脫落了大約 1.5 倍太陽的質量。這可能是那里極冷條件的主要原因,因為所有這些快速向太空排放的物質都以每秒超過164公里的速度帶走恒星的熱能。

為什麼回旋鏢星云這麼冷?

為了了解回旋鏢星云如何成為宇宙中最冷的地方,這是有自然原因的(即它不是實驗室中瞬態人工條件的產物),有必要解釋實際溫度是多少。

雖然我們用冷熱來描述溫度,但在炎熱的夏天,我們真正感受到的是原子尺度上分子碰撞釋放的能量。在任何給定時間發生的碰撞越多,產生的溫度就越高。這就是為什麼向物體施加能量(例如通過電)會加熱物體。

實際發生的是,這種能量正在激發物體中的分子,并導致它們更快、更頻繁地相互碰撞。不利的一面是,物體越冷,這些碰撞發生的速度越慢,發生的頻率就越低。這是回旋鏢星云為何如此寒冷的最佳解釋:它向太空膨脹的驚人速度正在減少膨脹氣體中分子碰撞的次數。

這會產生隨后的溫度「下降」,當氣體膨脹通過空間的相對真空時,它會像犁一樣掃過它面前的一切,將這種物質作為快速膨脹云的一部分,將物質分散開來,進一步減少了碰撞的次數,同時也降低了周圍廣闊空間的溫度。

但問題是是什麼導致這顆特殊的恒星如此劇烈地脫落其物質?特別是考慮到類似的恒星發展成行星狀星云的速度只有回旋鏢星云的百分之幾。

在2020年發表在《天體物理學雜志》的一項研究提出了一個有趣的假設:隨著紅巨星的膨脹,一顆較小的伴星被包圍,它的軌道運動撕裂了紅巨星的外層,導致大量物質從紅巨星中脫落。簡單來說,兩顆恒星的引力相互作用的結果。

那回旋鏢星云到底有多冷?

科學表明,物體的溫度是其原子運動量的量度——物體越冷,原子越慢。在物理上不可能達到的 0 K溫度(負 273.15°C)下,原子將停止運動。因此,沒有什麼比開爾文量表上的 「絕對零度」更冷的了。

而回旋鏢星云的溫度約為負272°C(約 1.15 K),或者比絕對零度高出一點多攝氏度。這使回旋鏢星云的溫度低于宇宙背景輻射的溫度(大爆炸的輻射將它遇到的所有物體加熱到約 2.725 K(-270.425 攝氏度),包括星際空間),即 比宇宙本身還冷,這也意味著回旋鏢星云實際上吸收了宇宙大爆炸所產生的剩余熱量。

但這種情況不會永遠持續下去,因為從星云的中心恒星噴射出來的質量是有限的。最終,驅動寒冷氣體云進入宇宙的力將消散,熱力學定律將建立平衡,最終將回旋鏢星云的氣體溫度升高到宇宙微波背景的水平。

延伸閱讀:

宇宙中「最冷」的地方在地球上:2015年,麻省理工學院的一組物理學家在實驗室利用激光冷卻鈉和鉀的單個原子,創造出 -273.15°C

宇宙中「最熱」的地方也在地球上:2012年,瑞士 CERN 大型強子對撞機的科學家使用 ALICE 實驗以 99% 的光速將鉛離子粉碎在一起,以產生夸克膠子等離子體(宇宙大爆炸后產生的一種奇異物質狀態),溫度高達 5.5萬億 K,約為太陽核心溫度的 3300萬倍。

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