宇宙中最冷的地方

宇宙中最冷的地方在哪里?别看太阳的核心温度有1500万℃,中子星的核心温度更是高达60亿℃,可宇宙中大部分没有天体活动的真空区域温度是很低的。据估算,宇宙的平均温度为-270.42℃,这个数字比绝对零度——-273.15℃仅高2.73℃。不过,真正的绝对零度是温度的理论下限,现实中几乎不可能达到。

2013年,借助智利的一台大型射电望远镜阵列,科学家探测了一个非常接近绝对零度的年轻天体——回旋镖星云。该天体是由尘埃和电离气体组成的一个行星状星云,其平均温度为-272℃,比绝对零度仅高1.15℃。

回旋镖星云的悲壮命运

回旋镖星云距离地球5000光年,其中心是一顆白矮星。凡是质量在太阳质量的8倍以内的恒星,在其生命末期都会演化成红巨星,而回旋镖星云就是由一颗红巨星演化而来的。

恒星产生的光和热,主要来自氢元素聚变为氦元素所释放的结合能。随着恒星逐渐耗尽内部的氢元素,恒星的亮度不仅不会下降,反而会提高。因为恒星已经无法产生足够的斥力来抗衡引力,所以剩下的氢元素在引力作用下会向恒星核坍塌。这种坍塌产生更多热量,使厘星的外层气体猛烈膨胀,导致恒星看起来十分“浮肿”。此时的恒星会变得更亮,其外层气体会比平时温度更低。表面温度越低,恒星呈现出的颜色越红。因此,红巨星看起来是红色的,体积很大。如果太阳也变成一颗红巨星,那么地球也会被它的外围气体吞没。

如果连氢元素也烧光了,那么大多数较大的红巨星会继续将氦元素聚合为更重的元素。但随着产生的新元素的元素序号越来越大,其结合过程所释放的结合能也逐渐减少。最终,因为聚变产生的斥力不足以抗衡引力,恒星开始猛烈坍缩,最终变成一颗白矮星—一恒星彻底烧尽后留下的致密内核。

“死亡”后的狂飙

当这种坍缩发生时,红巨星的外层气体不会向红巨星的核心运动。因为红巨星的体积实在太大,以至于其内核失去了对自身外层气体的控制,于是,失去控制的外层气体迅速向外扩张,以每秒162.5千米的速度狂飙,并一直扩散到星际空间。白矮星发出的光会照亮这些气体,因此我们才有幸欣赏到回旋镖星云等行星状星云。

红巨星外层气体在膨胀的同时,温度也会降低,这就是回旋镖星云如此寒冷的原因。红巨星外层甚至比宇宙大爆炸后留下的宇宙微波背景辐射(约-270.4℃)还冷。压缩气罐可以帮助我们理解这种温度骤降的原理:当你用一罐压缩气罐向外喷气时,气罐内部的气压迅速减小,气罐壁温度降低。原因是:根据能量守恒定律,气体向外喷射的动能是由气体的热能转化而来的。回旋镖星云中的气体就是在这种高速扩张中降低温度的。科学家猜测,该星云的气体扩散速度比其他星云快100倍左右,同时也比太阳喷射物质的速度快大约1000亿倍,这就是它成为宇宙低温冠军的原因。

比回旋镖星云更冷

2014年,由意大利、中国和美国等国的科学家组成的联合团队,将一块400千克重的铜制立方体的温度降至-273.144℃,当时创下人类观测到的最低温度记录。这个铜立方位于一座地下1400米处的实验室,被用于探测神出鬼没的幽灵粒子——中微子。为了将铜块冷却到接近绝对零度的超低温,科学家用6个容积递减的铅质密闭容器将铜立方像俄罗斯套娃那样层层保护起来,并利用液氦蒸发吸热的原理,逐渐带走最内层铅容器的热量。

然而,这个低温纪录很快就被打破。2015年,美国某研究团队将钠钾分子冷却到了迄今为止最低的温度:0.0000005开尔文(即273.149 9995℃)。这个温度不但比回旋镖星云更低,而且几乎已经达到了绝对零度。该团队使用了独立的激光来冷却钠钾分子,以消耗其气体分子的动能。

钠和钾都带正电,通常不会形成化合物。科学家先把独立的纳原子和钾原子冷却到极低的温度,然后施加磁场,将两者强行捆绑在一起,形成一个在宇宙中罕见的钠钾分子。实验室中的钠钾分子冷却后,其密度减小到接近真空。不过,这个分子只存在了2.5秒就分裂了。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午8:37。
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