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宇宙最冷之地:比絕對零度高一度物質幾乎靜止

宇宙中最冷的地方在哪裡?一些人認為這一頭銜可能會授予以下兩者之一:回力棒星雲或者麻省理工學院實驗室。

不管怎樣,你最好穿上自己的外套,因為這些地方真的非常寒冷。回力棒星雲(Boomerang Nebula)是塵埃和電離氣體的星際混合體,它的溫度可降至令人吃驚的零下272攝氏度,或者僅比絕對零度(零下273.15℃,自然界中溫度的下限,根據經典物理學,一旦達到這一臨界狀態,原子將停止運動)高1攝氏度,這是2013年天文學家使用阿塔卡馬大型毫米波陣列(ALMA)測量出來的。

回力棒星雲距離地球5000光年,這個年輕的星雲源自一個病態「創造者」:該星雲中心是一顆垂死恆星。隨著時間的推移,質量較低的恆星——大約是太陽質量的8倍或者更小,最終變成了所謂的紅巨星。

這類恆星的生命周期是這樣的:當恆星在其內核燃燒氫,並將其聚變成為氦,它的光度實際上會增加。這是因為該恆星無法產生足夠的熱量支持其重量,因此殘留的氫開始在恆星內核外層被壓縮,這種壓縮會產生更多的能量,但是其結果是恆星外層的氣體膨脹時,恆星就會發生膨脹。所以,即使恆星更加明亮,它的氣體會冷卻,恆星看起來更紅。紅巨星會變得更大:當太陽演變成紅巨星時,它的表面將延伸到地球當前的軌道位置。

最終,紅巨星完全通過氫進行燃燒,更多的超大質量紅巨星將開始氦聚變形成更重的元素,但是這個過程是非常局限的,出現在恆星中心層坍塌的時候。這時,恆星變成為了白矮星,白矮星基本上是燃燒殆盡恆星的超密內核結構。當坍塌發生時,恆星的外層被拋離,因為這顆紅巨星體積非常龐大,以至於它對恆星最外層控制力非常薄弱。來自白矮星的光線照亮了氣體,從地球角度觀測是一個華麗壯觀的行星狀星雲。(行星狀星雲這個詞使用得並不恰當,其使用歷史可追溯至18世紀第一次觀測到它,之後就一直被延續使用。)

這種氣體膨脹非常快速,向外移動的速度大約是58.5萬公里/小時,這就是回力棒星雲之所以如此寒冷的原因,它甚至比大爆炸留下的宇宙背景輻射還要冷(大約是零下270攝氏度)。

伴隨著氣體膨脹,回力棒星雲將變得更加寒冷。這是因為膨脹會導致壓強下降,而壓強下降會減緩氣體分子速度。溫度基本上是分子運動速度快慢的一種測量值,分子運動速度越快,氣體溫度就越高。

當你使用氣罐清潔電腦時,你可以觀察到相同的現象:當你噴射氣罐的時候,氣罐會變得更冷,因為裡面氣體的壓力正在迅速減少。使氣體膨脹的一些能量來自於氣溶罐中的熱能。由於回力棒星雲中的氣體被中心恆星以非常高的速度拋射,許多熱能在一眨眼的功夫就會消失。

美國宇航局噴氣推進實驗室研究員拉赫溫德拉·薩海(Raghvendra Sahai)認為,回力棒星雲比其它膨脹星雲溫度更低,是因為它釋放質量的速度比那些垂死恆星快大約100倍,相當於太陽噴射物質速度的1000億倍。

但是地球上最寒冷的地方在哪呢?美國麻省理工學院的學生們將樂意解答這個問題,目前為止該校實驗室創建了地球上最低溫度條件。2015年,一支物理學家小組把原子冷卻到歷史以來最冷溫度,零下273.15攝氏度。這甚至比回力棒星雲的溫度更低,當時科學家使用激光冷卻了單個鈉和鉀原子。

目前,許多科學家團隊都在致力於創建溫度更低的氣體。噴氣推進室冷原子實驗室於2018年發射至國際空間站,現已製造出太空中最冷物體,並且很快就能製造出宇宙最冷物體。

責任編輯: 王和   來源:網易科學人 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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