宇宙中最冷的地方

云翟

宇宙中最冷的地方在哪里？別看太陽的核心溫度有1500萬℃，中子星的核心溫度更是高達60億℃，可宇宙中大部分沒有天體活動的真空區(qū)域溫度是很低的。據(jù)估算，宇宙的平均溫度為-270.42℃，這個數(shù)字比絕對零度——-273.15℃僅高2.73℃。不過，真正的絕對零度是溫度的理論下限，現(xiàn)實中幾乎不可能達到。

2013年，借助智利的一臺大型射電望遠鏡陣列，科學家探測了一個非常接近絕對零度的年輕天體——回旋鏢星云。該天體是由塵埃和電離氣體組成的一個行星狀星云，其平均溫度為-272℃，比絕對零度僅高1.15℃。

回旋鏢星云的悲壯命運

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)量在太陽質(zhì)量的8倍以內(nèi)的恒星，在其生命末期都會演化成紅巨星，而回旋鏢星云就是由一顆紅巨星演化而來的。

恒星產(chǎn)生的光和熱，主要來自氫元素聚變?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下降，反而會提高。因為恒星已經(jīng)無法產(chǎn)生足夠的斥力來抗衡引力，所以剩下的氫元素在引力作用下會向恒星核坍塌。這種坍塌產(chǎn)生更多熱量，使厘星的外層氣體猛烈膨脹，導致恒星看起來十分“浮腫”。此時的恒星會變得更亮，其外層氣體會比平時溫度更低。表面溫度越低，恒星呈現(xiàn)出的顏色越紅。因此，紅巨星看起來是紅色的，體積很大。如果太陽也變成一顆紅巨星，那么地球也會被它的外圍氣體吞沒。

如果連氫元素也燒光了，那么大多數(shù)較大的紅巨星會繼續(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越來越大，其結(jié)合過程所釋放的結(jié)合能也逐漸減少。最終，因為聚變產(chǎn)生的斥力不足以抗衡引力，恒星開始猛烈坍縮，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

當這種坍縮發(fā)生時，紅巨星的外層氣體不會向紅巨星的核心運動。因為紅巨星的體積實在太大，以至于其內(nèi)核失去了對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張，以每秒162.5千米的速度狂飆，并一直擴散到星際空間。白矮星發(fā)出的光會照亮這些氣體，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，溫度也會降低，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：當你用一罐壓縮氣罐向外噴氣時，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，氣體向外噴射的動能是由氣體的熱能轉(zhuǎn)化而來的。回旋鏢星云中的氣體就是在這種高速擴張中降低溫度的。科學家猜測，該星云的氣體擴散速度比其他星云快100倍左右，同時也比太陽噴射物質(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、中國和美國等國的科學家組成的聯(lián)合團隊，將一塊400千克重的銅制立方體的溫度降至-273.144℃，當時創(chuàng)下人類觀測到的最低溫度記錄。這個銅立方位于一座地下1400米處的實驗室，被用于探測神出鬼沒的幽靈粒子——中微子。為了將銅塊冷卻到接近絕對零度的超低溫，科學家用6個容積遞減的鉛質(zhì)密閉容器將銅立方像俄羅斯套娃那樣層層保護起來，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，這個低溫紀錄很快就被打破。2015年，美國某研究團隊將鈉鉀分子冷卻到了迄今為止最低的溫度：0.0000005開爾文（即273.149 9995℃）。這個溫度不但比回旋鏢星云更低，而且?guī)缀跻呀?jīng)達到了絕對零度。該團隊使用了獨立的激光來冷卻鈉鉀分子，以消耗其氣體分子的動能。

鈉和鉀都帶正電，通常不會形成化合物?？茖W家先把獨立的納原子和鉀原子冷卻到極低的溫度，然后施加磁場，將兩者強行捆綁在一起，形成一個在宇宙中罕見的鈉鉀分子。實驗室中的鈉鉀分子冷卻后，其密度減小到接近真空。不過，這個分子只存在了2.5秒就分裂了。