比宇宙本身更冷?5000光年外的一个地方,温度仅比绝对零度高一度

原标题:比宇宙本身更冷?5000光年外的一个地方,温度仅比绝对零度高一度

根据记录:地球上最冷的地方在南极东部高原,最低温度可达-94°C。冥王星表面最低温度为-232.75°C。太阳系奥尔特云的温度为-268.15°C ……在我们认知里,宇宙中的任何地方基本上都存在热源,可能是恒星、超新星、类星体、星团等等,距离越远,就越冷。所以宇宙中最冷的地方应该是可观测宇宙的最边缘,或者星际空间的最深处。

然而科学家发现,宇宙中最冷的地方距离我们只有5000 光年的“回旋镖星云”(Boomerang Nebula),尽管其中心有一颗8倍太阳质量的恒星本应保持温暖,但它的温度仅比绝对零度高一度

为什么如此活跃的东西,即使在其垂死挣扎中,如何产生仅比所有分子运动停止点高出一摄氏度的温度?

全宇宙最冷的地方?

“回旋镖星云”是一个反射行星状星云,充满尘埃和电离气体,距离地球约 5000 光年,位于半人马座,于1980年被天文学家 Keith Taylor 和 Mike Scarrott发现。观测显示,与其他以白矮星为中心的行星状星云不同,回旋镖星云是一个年轻的行星状星云,因此它内部的红巨星仍在脱落其外层物质。

尽管它曾经与我们的太阳非常相似,但位于回力镖星云中心的红巨星已经耗尽了燃料,因此核聚变无法继续进行。原始恒星的质量足够低,以至于这种耗尽不会产生带有由此产生的中子星或黑洞的超新星,而是经历了某种“死亡”阶段。

在这种最终状态下,红巨星的末日已近且确定,它正在脱落其外层的重元素,使其不再有能量融合成更重的元素。这个过程在由此产生的白矮星周围产生了一个典型的充满活力的星云——这颗恒星的超凝聚核心会散发出余热和能量,但不会产生任何自身的新能量。

这个过程通常需要一些时间才能完成(从宇宙角度来说),但回旋镖星云中的红巨星非常特殊,其质量的流失速度比生命末期的类似恒星物体快约 100 倍。科学家估算,星云中心的中心恒星在短短 1500 年的时间里已经脱落了大约 1.5 倍太阳的质量。这可能是那里极冷条件的主要原因,因为所有这些快速向太空排放的物质都以每秒超过164公里的速度带走恒星的热能。

为什么回旋镖星云这么冷?

为了了解回旋镖星云如何成为宇宙中最冷的地方,这是有自然原因的(即它不是实验室中瞬态人工条件的产物),有必要解释实际温度是多少。

虽然我们用冷热来描述温度,但在炎热的夏天,我们真正感受到的是原子尺度上分子碰撞释放的能量。在任何给定时间发生的碰撞越多,产生的温度就越高。这就是为什么向物体施加能量(例如通过电)会加热物体。

实际发生的是,这种能量正在激发物体中的分子,并导致它们更快、更频繁地相互碰撞。不利的一面是,物体越冷,这些碰撞发生的速度越慢,发生的频率就越低。这是回旋镖星云为何如此寒冷的最佳解释:它向太空膨胀的惊人速度正在减少膨胀气体中分子碰撞的次数。

这会产生随后的温度“下降”,当气体膨胀通过空间的相对真空时,它会像犁一样扫过它面前的一切,将这种物质作为快速膨胀云的一部分,将物质分散开来,进一步减少了碰撞的次数,同时也降低了周围广阔空间的温度。

但问题是是什么导致这颗特殊的恒星如此剧烈地脱落其物质?特别是考虑到类似的恒星发展成行星状星云的速度只有回旋镖星云的百分之几。

在2020年发表在《天体物理学杂志》的一项研究提出了一个有趣的假设:随着红巨星的膨胀,一颗较小的伴星被包围,它的轨道运动撕裂了红巨星的外层,导致大量物质从红巨星中脱落。简单来说,两颗恒星的引力相互作用的结果。

那回旋镖星云到底有多冷?

科学表明,物体的温度是其原子运动量的量度——物体越冷,原子越慢。在物理上不可能达到的 0 K温度(负 273.15°C)下,原子将停止运动。因此,没有什么比开尔文量表上的“绝对零度”更冷的了。

而回旋镖星云的温度约为负272°C(约 1.15 K),或者比绝对零度高出一点多摄氏度。这使回旋镖星云的温度低于宇宙背景辐射的温度(大爆炸的辐射将它遇到的所有物体加热到约 2.725 K(-270.425 摄氏度),包括星际空间),即比宇宙本身还冷,这也意味着回旋镖星云实际上吸收了宇宙大爆炸所产生的剩余热量。

但这种情况不会永远持续下去,因为从星云的中心恒星喷射出来的质量是有限的。最终,驱动寒冷气体云进入宇宙的力将消散,热力学定律将建立平衡,最终将回旋镖星云的气体温度升高到宇宙微波背景的水平。

延伸阅读:

宇宙中“最冷”的地方在地球上:2015年,麻省理工学院的一组物理学家在实验室利用激光冷却钠和钾的单个原子,创造出-273.15°C

宇宙中“最热”的地方也在地球上:2012年,瑞士 CERN 大型强子对撞机的科学家使用 ALICE 实验以 99% 的光速将铅离子粉碎在一起,以产生夸克胶子等离子体(宇宙大爆炸后产生的一种奇异物质状态),温度高达5.5万亿 K,约为太阳核心温度的 3300万倍。返回搜狐,查看更多

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