宇宙中最冷的地方離我們如此之近
2023-03-31 19:21:04
不考慮實驗室中人造的低溫環境，宇宙中最冷的地方在哪裡？自然條件下的最低溫度又是多少？
在我們的想像中，最冷的地方應該空無一物——沒有移動的粒子、沒有額外的輻射，只有無處不在的宇宙微波背景輻射。
盡你所能想像一個極寒之地，其中組成物質的粒子運動「極」慢，慢到接近絕對靜止。在內部沒有多餘的熱量供粒子吸收，外部也沒有熱源為其供能。
理論上來說，這個粒子需要離任何移動粒子及輻射越遠越好，此外還要儘可能地遠離恆星、星系和收縮的氣體雲，並且屏蔽掉所有外部光子。在星系間最理想的隱蔽之地，所有的星光都照射不到，只有大爆炸的餘輝——2.725 K的宇宙微波背景輻射給粒子提供熱能。但這還不足以描述宇宙中最冷的地方，我們自己星系中的旋鏢星雲就比那裡更冷。
隔絕熱源
不論你去往宇宙何處都會遇上熱源，你離它們越遠就越冷。地球距太陽1.5億千米，溫度保持在300K（約27℃）左右。但如果沒有大氣層，這個溫度將會低近50K。再往遠處走，太陽的供熱能力就越來越弱了。比如冥王星只有44K，這個溫度足以使液氮凍結。但這還離最冷有一段距離，為了隔絕恆星的熱能，我們需要去一個更為孤立的地方，比如星際空間。
在星系中獨自漫遊的冷分子雲溫度僅比絕對零度高出10 K到20 K。由於恆星、超新星、宇宙射線、恆星風等都會為星系提供能量，因此在銀河系內很難比冷分子雲更冷。只有在星際空間中，距離最近恆星也有數百萬光年的情況下，宇宙微波背景輻射才能成為唯一的熱源。
如果微波可視，夜空看起來會像代表2.7 K的綠色橢圓形，中心的「噪音」是由我們較熱的星系平面造成的。這種帶有黑體光譜的均勻輻射就是宇宙微波背景輻射，是宇宙大爆炸餘輝的證據。（圖片來源：NASA / WMAP SCIENCE TEAM）
當溫度低於3K時，幾乎無法檢測到的光子將成為四周唯一的熱源。由於宇宙各處都會不斷受到紅外、微波和射電光子的轟擊，你可能以為宇宙微波背景輻射的2.725 K就是自然界中的最冷溫度了。想要更冷，就得等宇宙進一步膨脹，拉伸光子波長。
假以時日，這當然會發生。138億年後，等宇宙年齡達到現在的兩倍，其溫度會降到僅比絕對零度高1K。但現在，就有一個地方比星際空間最深處還冷。
旋鏢星雲是一個年輕的成型中行星狀星雲，也是目前所知宇宙中最冷的地方。（圖片來源：ESA/NASA）
旋鏢星雲
這個地方就在銀河系中，距離我們僅5000光年。1980年，它於澳大利亞被觀測到。因其不對稱的兩葉狀外觀與澳大利亞土著使用的武器迴旋鏢相似，該星雲被命名為「旋鏢星雲」（Boomerang Nebula）。進一步的研究表明它是一個前行星狀星雲，相當於類太陽恆星死亡過程的中間階段。
所有類太陽恆星都會演變成紅巨星，並以行星狀星雲、白矮星結合體的形式結束生命——外層被吹走，核心坍縮成熱的簡併態。但是在紅巨星和行星狀星雲之間，還有一個被稱作「前行星狀星雲」的過渡階段。
前行星狀星雲IRAS 2006+84051比旋鏢星雲更熱，但也處於紅巨星到行星狀星雲/白矮星的過渡階段。（圖片來源：ESA/HUBBLE & NASA）
前行星狀星雲階段出現在恆星內部溫度升高之前，在恆星外層開始被吹走之後。被吹走的氣體通常在恆星的兩極發生噴射，噴射物從恆星系統被拋射至星際介質中。這個階段只持續短暫的幾千年。目前僅發現了十幾顆處在這個階段的恆星，旋鏢星雲就是其中一例。它的氣體排出速度為每秒164千米，大約是正常速度的10倍。因此其質量損失的速度也要高於正常值，每年大約損失兩個海王星的質量。鑑於此，它是已知宇宙中最冷的天然場所，某些區域甚至達到0.5K，僅比絕對零度高半攝氏度。
旋鏢星雲的毫米波長圖，這個空間區域的黯淡可見光視圖被無線電數據覆蓋。（圖片來源：NRAO/AUI/NSF/NASA/STSCI/JPL-CALTECH）
任何其他行星狀和前行星狀星雲都比旋鏢星雲熱得多，原因很簡單。我們可以通過呼吸來理解：深呼吸，憋氣3秒再呼出，將手放在嘴巴15釐米前。你可以用兩種方式分別完成：
1、張大嘴呼氣，你能感受到暖風緩慢吹到手上。
2、嘴唇僅留一條縫吐氣，此時呼出的氣感覺較冷。
在這兩種情況下，你吸入的空氣被加熱並保持在較高的溫度，直到被呼出。張大嘴呼氣時，由於離開的氣流較慢，你的手會感到溫暖。但是當從一個很小的開口呼氣時，空氣會迅速互相擠壓向外做功，發生絕熱膨脹，這一過程加速了空氣冷卻。
誕生了旋鏢星雲的恆星外層滿足所有條件：大量熱物質被從兩個小口快速噴射出，並有足夠空間膨脹並冷卻。
神奇的是，有人在旋鏢星雲被發現前就已經預言了它的存在。天文學家Raghvendra Sahai曾通過計算提出，符合前述條件的前行星狀星雲的溫度，可以低於宇宙微波背景輻射。Sahai此後在1995年參與了對旋鏢星雲長波的測量，其團隊測定的旋鏢星雲溫度，是目前已知宇宙中可天然達到的最低溫。
旋鏢星雲及其周圍區域的溫度圖。藍色區域的膨脹最大，所以溫度最低。（圖片來源：NASA / SPL）
旋鏢星雲是目前發現的唯一一個溫度低於大爆炸餘輝的前行星狀星雲，但它不是唯一的一個，宇宙中還可能有更冷的地方。我們還將繼續尋找。說不定，我們自己的恆星——太陽，也能在其生命晚期打破這項紀錄呢。
