上回說(shuō)月球上的極地隕石坑中，由于長(zhǎng)年沒(méi)有陽(yáng)光照射，成了除實(shí)驗(yàn)室外太陽(yáng)系中目前已探測(cè)到的最冷的地方。太陽(yáng)系最冷的地方在月球隕石坑中，那宇宙最冷的地方會(huì)在哪兒呢？
注意啊，這里有兩個(gè)前提：1、除實(shí)驗(yàn)室外 2、目前已探測(cè)到。也就是說(shuō)這個(gè)地方必須是自然形成的，而且還必須是已經(jīng)被觀測(cè)到的。
上回不少人提到流浪行星，流浪行星這種星際天體由于遠(yuǎn)離恒星，如果本身再足夠小，并且還沒(méi)有大氣層保溫的話，它確實(shí)可以達(dá)到非常低的溫度。理論上只要一個(gè)天體遠(yuǎn)離所有輻射源，自身也徹底冷卻后，此時(shí)唯一能給它帶來(lái)熱量的，就只剩宇宙大爆炸的“余溫”了。
作為大爆炸的余暉，宇宙微波背景輻射已經(jīng)隨宇宙膨脹，從當(dāng)初的 3000 多度降低到了今天的不到 3K。既然是宇宙的“背景溫度”，那正常情況下應(yīng)該不存在比它更冷的地方了吧？
另外雖然背景輻射具有顯著的各向同性特征非常均勻，但在一定程度上不同區(qū)域之間還是會(huì)存在差異。比如可以看到，圖片中那種顏色明顯比周圍更藍(lán)的地方，說(shuō)明那里有著更低的溫度，因此被稱為“冷斑（Cold Spot）”。那這里會(huì)不會(huì)就是宇宙最冷的地方呢？
不過(guò)啊，背景輻射的均勻程度遠(yuǎn)超一般人想象。我們看到的這種存在顏色差異的圖片，其實(shí)它的精度非常高。有多高呢？在排除了地球在宇宙中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)后，這里各處的溫度差異大約只有十萬(wàn)分之一。根據(jù)普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，“冷斑”的溫度比背景輻射的平均溫度只低了大約 100μK 左右。所以說(shuō)這里最冷，其實(shí)意義并不大。
另外背景輻射的溫度僅僅是宇宙的背景溫度，實(shí)際上在宇宙中充斥著各種各樣的熱源。
如果是在星系中的話，恒星風(fēng)、超新星以及各種的宇宙射線，它們都充當(dāng)了空間里的熱源。因此在我們銀河系的星際空間中，溫度是很難接近背景輻射溫度的。只有出了銀河系，在更加廣袤的星系間的“星系際空間”中，微波背景才可能會(huì)成為唯一的熱源。
但是實(shí)際上，哪怕是接近背景輻射的星系際空間也不是溫度最低的地方。有一個(gè)地方，它的溫度甚至比背景輻射還要低，而且不在別處，就在我們銀河系中。
上世紀(jì) 80 年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有點(diǎn)奇怪的星云。受限于當(dāng)時(shí)的設(shè)備，那時(shí)人們對(duì)它的樣貌看得并不是很清楚，只能隱約看到它內(nèi)部有兩個(gè)瓣，而且不太對(duì)稱，有點(diǎn)像回旋鏢的樣子，所以就把這個(gè)星云起名叫“回旋鏢星云”，也叫“回力棒星云”。
1998 年，通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡這次人們終于看清了星云的模樣，整個(gè)外形非常對(duì)稱，像一個(gè)“領(lǐng)結(jié)”。因此人們給它起了個(gè)更貼切的名字 ——“領(lǐng)結(jié)星云”。
這是一個(gè)距離我們只有 5000 光年的原行星狀星云（PPN），或者叫原行星云。
行星狀星云（PN）是類太陽(yáng)恒星死亡后形成的一種星云；原行星狀星云則是一種還未成為行星狀星云，但是恒星已經(jīng)處于演化末期，即將成為行星狀星云的中間狀態(tài)。處于這個(gè)狀態(tài)的星云持續(xù)時(shí)間一般都很短，通常只有幾千年，所以處于這個(gè)階段的恒星和星云并不多見(jiàn)，目前只發(fā)現(xiàn)了十幾例。但就在這十幾例中，領(lǐng)結(jié)星云表現(xiàn)出了它獨(dú)特的地方。
大約 1500 年前，一顆類太陽(yáng)恒星進(jìn)入了演化晚期，并逐漸膨脹為一顆紅巨星。當(dāng)紅巨星正在把自身的物質(zhì)向外拋灑時(shí)，此時(shí)發(fā)生了一件事 —— 一顆小質(zhì)量伴星撞向了它。這次撞擊讓原本普通的星云變得不再普通。
由于突然闖入的伴星，紅巨星的外層被嚴(yán)重撕裂，附近的氣體以 164km/s 的速度從星云的中央高速噴出，這個(gè)速度是通常紅巨星拋灑物質(zhì)的 10 倍。這些外流的氣體向外噴射了將近 2 光年，同時(shí)氣體還使得沿途的星云迅速向外膨脹。回旋鏢和領(lǐng)結(jié)的外形正是由這些高速外流和極速膨脹的氣體構(gòu)成的。
這超乎尋常的速度，意味著這里的物質(zhì)擁有著極高的動(dòng)量。這樣一來(lái)，這些物質(zhì)理應(yīng)會(huì)因?yàn)樽龉Χ沟米陨淼臏囟冉档停@在熱力學(xué)中被稱為絕熱膨脹，也叫絕熱冷卻。
絕熱膨脹是指在一個(gè)與外界沒(méi)有熱交換（或者熱交換可以忽略）的孤立系統(tǒng)中，氣體的膨脹對(duì)外做功會(huì)使得溫度下降。宇宙膨脹導(dǎo)致背景輻射溫度的降低，就可以看做是一種絕熱膨脹。
其實(shí)這種現(xiàn)象在日常生活中也有例子：
不知道你小時(shí)候有沒(méi)有摔過(guò)打火機(jī)？當(dāng)打火機(jī)摔破后，里面的液化氣因?yàn)槭簳?huì)迅速揮發(fā)，這時(shí)候你去摸它的外殼就會(huì)發(fā)現(xiàn)非常涼。這就是絕熱膨脹導(dǎo)致的。
還有比如為什么哈氣會(huì)感覺(jué)熱，吹氣就感覺(jué)涼？有人說(shuō)風(fēng)速不一樣。那你試試慢速地吹氣和快速地哈氣，哪個(gè)涼哪個(gè)熱。其實(shí)這個(gè)就可以從絕熱膨脹的角度來(lái)解釋：哈出來(lái)的氣體原本體積就比較大，擴(kuò)散速度會(huì)比較慢；而吹出來(lái)的氣體體積很小，擴(kuò)散速度相對(duì)較快，所以感覺(jué)會(huì)涼一些。
那么如果這片星云中也有類似現(xiàn)象的話，它的冷卻速度會(huì)比恒星給它的輻射快得多。據(jù)此天文學(xué)家預(yù)測(cè)，該星云可以達(dá)到非常低的溫度，甚至可以低到比宇宙中自然發(fā)生的任何其他溫度都要低。
由于 CO 分子的譜線強(qiáng)度可以精確反映出氣體云的溫度，1995 年天文學(xué)家通過(guò)阿塔卡馬射電望遠(yuǎn)鏡（ALMA）首次測(cè)得了該星云的溫度 —— -272.15°C（1K），只比絕對(duì)零度高了 1 度！這片星云也成了迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)溫度低于背景輻射的天然物體。
因?yàn)楸尘拜椛涠加?2.7K，這意味著這片星云中的物質(zhì)竟然在吸收背景輻射的能量！這是何等的離譜。不過(guò)隨著氣體云膨脹速度的減緩，最終它還是會(huì)和周圍達(dá)到熱平衡。目前就觀測(cè)到，這片星云的外圍似乎已經(jīng)有變暖的跡象。
也許 50 億年后，當(dāng)我們的太陽(yáng)也走到了這個(gè)階段，到那時(shí)太陽(yáng)系或許將成為宇宙中又一個(gè)最冷之處。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：Linvo 說(shuō)宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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