宇宙中最冷的地方

云翟

宇宙中最冷的地方在哪里？別看太陽(yáng)的核心溫度有1500萬(wàn)℃，中子星的核心溫度更是高達(dá)60億℃，可宇宙中大部分沒(méi)有天體活動(dòng)的真空區(qū)域溫度是很低的。據(jù)估算，宇宙的平均溫度為-270.42℃，這個(gè)數(shù)字比絕對(duì)零度——-273.15℃僅高2.73℃。不過(guò)，真正的絕對(duì)零度是溫度的理論下限，現(xiàn)實(shí)中幾乎不可能達(dá)到。

2013年，借助智利的一臺(tái)大型射電望遠(yuǎn)鏡陣列，科學(xué)家探測(cè)了一個(gè)非常接近絕對(duì)零度的年輕天體——回旋鏢星云。該天體是由塵埃和電離氣體組成的一個(gè)行星狀星云，其平均溫度為-272℃，比絕對(duì)零度僅高1.15℃。

回旋鏢星云的悲壯命運(yùn)

回旋鏢星云距離地球5000光年，其中心是一顆白矮星。凡是質(zhì)量在太陽(yáng)質(zhì)量的8倍以內(nèi)的恒星，在其生命末期都會(huì)演化成紅巨星，而回旋鏢星云就是由一顆紅巨星演化而來(lái)的。

恒星產(chǎn)生的光和熱，主要來(lái)自氫元素聚變?yōu)楹ぴ厮尫诺慕Y(jié)合能。隨著恒星逐漸耗盡內(nèi)部的氫元素，恒星的亮度不僅不會(huì)下降，反而會(huì)提高。因?yàn)楹阈且呀?jīng)無(wú)法產(chǎn)生足夠的斥力來(lái)抗衡引力，所以剩下的氫元素在引力作用下會(huì)向恒星核坍塌。這種坍塌產(chǎn)生更多熱量，使厘星的外層氣體猛烈膨脹，導(dǎo)致恒星看起來(lái)十分“浮腫”。此時(shí)的恒星會(huì)變得更亮，其外層氣體會(huì)比平時(shí)溫度更低。表面溫度越低，恒星呈現(xiàn)出的顏色越紅。因此，紅巨星看起來(lái)是紅色的，體積很大。如果太陽(yáng)也變成一顆紅巨星，那么地球也會(huì)被它的外圍氣體吞沒(méi)。

如果連氫元素也燒光了，那么大多數(shù)較大的紅巨星會(huì)繼續(xù)將氦元素聚合為更重的元素。但隨著產(chǎn)生的新元素的元素序號(hào)越來(lái)越大，其結(jié)合過(guò)程所釋放的結(jié)合能也逐漸減少。最終，因?yàn)榫圩儺a(chǎn)生的斥力不足以抗衡引力，恒星開(kāi)始猛烈坍縮，最終變成一顆白矮星—一恒星徹底燒盡后留下的致密內(nèi)核。

“死亡”后的狂飆

當(dāng)這種坍縮發(fā)生時(shí)，紅巨星的外層氣體不會(huì)向紅巨星的核心運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榧t巨星的體積實(shí)在太大，以至于其內(nèi)核失去了對(duì)自身外層氣體的控制，于是，失去控制的外層氣體迅速向外擴(kuò)張，以每秒162.5千米的速度狂飆，并一直擴(kuò)散到星際空間。白矮星發(fā)出的光會(huì)照亮這些氣體，因此我們才有幸欣賞到回旋鏢星云等行星狀星云。

紅巨星外層氣體在膨脹的同時(shí)，溫度也會(huì)降低，這就是回旋鏢星云如此寒冷的原因。紅巨星外層甚至比宇宙大爆炸后留下的宇宙微波背景輻射（約-270.4℃）還冷。壓縮氣罐可以幫助我們理解這種溫度驟降的原理：當(dāng)你用一罐壓縮氣罐向外噴氣時(shí)，氣罐內(nèi)部的氣壓迅速減小，氣罐壁溫度降低。原因是：根據(jù)能量守恒定律，氣體向外噴射的動(dòng)能是由氣體的熱能轉(zhuǎn)化而來(lái)的。回旋鏢星云中的氣體就是在這種高速擴(kuò)張中降低溫度的。科學(xué)家猜測(cè)，該星云的氣體擴(kuò)散速度比其他星云快100倍左右，同時(shí)也比太陽(yáng)噴射物質(zhì)的速度快大約1000億倍，這就是它成為宇宙低溫冠軍的原因。

比回旋鏢星云更冷

2014年，由意大利、中國(guó)和美國(guó)等國(guó)的科學(xué)家組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，將一塊400千克重的銅制立方體的溫度降至-273.144℃，當(dāng)時(shí)創(chuàng)下人類觀測(cè)到的最低溫度記錄。這個(gè)銅立方位于一座地下1400米處的實(shí)驗(yàn)室，被用于探測(cè)神出鬼沒(méi)的幽靈粒子——中微子。為了將銅塊冷卻到接近絕對(duì)零度的超低溫，科學(xué)家用6個(gè)容積遞減的鉛質(zhì)密閉容器將銅立方像俄羅斯套娃那樣層層保護(hù)起來(lái)，并利用液氦蒸發(fā)吸熱的原理，逐漸帶走最內(nèi)層鉛容器的熱量。

然而，這個(gè)低溫紀(jì)錄很快就被打破。2015年，美國(guó)某研究團(tuán)隊(duì)將鈉鉀分子冷卻到了迄今為止最低的溫度：0.0000005開(kāi)爾文（即273.149 9995℃）。這個(gè)溫度不但比回旋鏢星云更低，而且?guī)缀跻呀?jīng)達(dá)到了絕對(duì)零度。該團(tuán)隊(duì)使用了獨(dú)立的激光來(lái)冷卻鈉鉀分子，以消耗其氣體分子的動(dòng)能。

鈉和鉀都帶正電，通常不會(huì)形成化合物?？茖W(xué)家先把獨(dú)立的納原子和鉀原子冷卻到極低的溫度，然后施加磁場(chǎng)，將兩者強(qiáng)行捆綁在一起，形成一個(gè)在宇宙中罕見(jiàn)的鈉鉀分子。實(shí)驗(yàn)室中的鈉鉀分子冷卻后，其密度減小到接近真空。不過(guò)，這個(gè)分子只存在了2.5秒就分裂了。