宇宙中最冷的地方是哪裡?

哲學詩畫

理論上宇宙中最低的溫度就是絕對零度(-273.15℃),當然這是理論上推測的結果,事實上絕對零度是無法達到的,只可以無限接近這個數字而已,以現在的手段,人類已經可以製造零下273.14999999999℃的超低溫度,這可以說是很接近絕對零度了。但是我們的宇宙中自然而成的溫度最低的地方在哪兒呢?溫度有多麼低呢?



宇宙的微波背景輻射溫度為-270.5℃,這就是我們通常而言的“宇宙大爆炸”所遺留下來的佈滿整個宇宙空間的熱輻射,反映的是宇宙年齡在38萬年時的情況;在寒冷的宇宙中,星際塵埃的溫度可以達到-260℃;冥王星的溫度為240℃;天王星的溫度為-220℃……

而我們地球已觀測到的的最低溫度在南極大陸,已經測到了零下88.3攝氏度的低溫。那麼說到宇宙中的最低溫度,現在已經發現的是距離地球5000萬光年的布莫讓星雲,一個被稱作回力棒的星雲,布莫讓星雲是目前已知的宇宙中溫度最低的地方,達到了驚人的-272.2℃,也就是說僅有一開。


布莫讓星雲位於半人馬座,是一個相對年輕的行星狀星雲,即處於生命末期的恆星的形態,此時的恆星的外層已經拋散至太空,只存在於中心位置的白矮星不斷髮射著強烈的紫外輻射,於是令星雲中的氣體發光,併發出明亮的光彩。它其實就是一個低質量的即將死亡的恆星,剛開始的時候它會成為一顆紅巨星,之後它表面的溫度將會越來越低,並且聚集成為塵埃粒子,被吹到了外部,或許是因為恆星過快地膨脹以及過高的質量損失率,造成了它的溫度如此之低。它的外形酷似一個蝴蝶結,由速度達到每小時50萬公里的強風所致,超冷氣體遠離瀕臨死亡的中央恆星,布莫讓星雲的質量是其它類似天體的10倍到100倍,快速膨脹使其保持低溫狀態。專家推測,該星雲變冷的原因和家用冰箱的工作原理相似,即由於氣體快速膨脹的結果。


絕對零度即為是原子處於絕對靜止的溫度,這個溫度理論上永遠無法達到,只能是無限逼近。當然了,布莫讓星雲的溫度足以使原子形成玻色——愛因斯坦凝聚態。在這個溫度下,沒有任何的生命可以存在。


鏡像宇宙

雖然宇宙中的恆星數量極多,但宇宙空間其實很冷,其平均溫度大約為零下270.42攝氏度(理論上最低的溫度絕對零度為零下273.15攝氏度),這是瀰漫在整個宇宙的微波背景輻射的溫度。除了在實驗室中實現的人造低溫之外,天文學家在宇宙中發現的最冷地方令人意想不到:一片圍繞著垂死恆星的星雲。這片星雲被稱為回力棒星雲(又稱布莫讓星雲),其溫度低至零下272.15攝氏度,僅比絕對零度高了1度,使其成為目前已知宇宙中最冷的自然地方。那麼,為什麼這片星雲的溫度會如此之低呢?

回力棒星雲是行星狀星雲的前身,這是一片年輕的星雲,在其中間是一顆正在死亡的恆星。這顆恆星的結構已經非常不穩定,正在拋射出高速運動的氣體,速度高達164千米/秒。隨著這些氣體在太空中快速運動,它們的體積隨之迅速膨脹,從而使溫度急速下降。這裡稍微解釋一下氣體體積膨脹導致溫度下降的原理:因為氣體的體積膨脹,氣壓下降,從而減慢氣體分子的熱運動速度。溫度用於表徵分子熱運動的快慢,氣體分子運動越慢,則氣體就越冷。這就是為什麼回力棒星雲的溫度甚至比宇宙大爆炸殘留下的微波背景輻射還要冷。

在大約50億年之後,我們的太陽也會經歷這個過程。到那時,太陽中心的氫燃料耗盡,結構變得不穩定,太陽會不斷向太空拋射氣體。太陽的體積不斷膨脹,將會演變成紅巨星。不久之後,紅巨星的外層氣體被大量拋入太空中,形成行星狀星雲。而中心則會坍縮成白矮星,然後在宇宙中慢慢冷卻。

目前,人類在地球上實現的最低溫度為零下273.1499999999攝氏度,遠遠低於回力棒星雲的溫度,這是人類已測量到的最低溫度。


火星一號


從現有的觀察來看,目前宇宙中溫度最低的是地球5000光年的布莫讓星雲,其溫度是零下272度,它在1979年被發現,它的形狀有點像翩翩起舞的蝴蝶。


在我們宇宙中理論上的最低溫度是絕對零度,為零下273.15攝氏度,為什麼是這個溫度呢,這是理論上物體內部原子靜止的溫度,我們覺得特別熱的時候,溫度特別高的時候,其實是物體內部原子的運動非常快速的時候,我們覺得特別冷的時候,溫度很低的時候,也就是物體內部原子運動速度特別慢的時候,但是原子的運動不可能絕對靜止,所以零下273.15攝氏度永遠是不可能達到的。布莫讓星雲的溫度僅僅比絕對零度高出了1.15攝氏度,它絕對是宇宙中原生態的冷凍冰箱。當然我們人類已經制造出了更加接近絕對零度的實驗室環境。



布莫讓星雲是一個非常年輕的星雲,位於半人馬星座。半人馬星座也是很有名的星座,它有兩顆很亮的恆星,鄭和下西洋的時候曾經藉助半人馬星座中的這兩顆閃亮星星導航。半人馬星座也是銀河系中距離地球比較近的星團。布莫讓星雲如此寒冷的原因是因為它一直在不斷膨脹,不斷地消耗內部的能量。


我們印象中的恆星是相當炙熱的,太陽的日冕溫度可以高達100萬攝氏度。但是恆星在宇宙中只佔微不足道的部分,宇宙中的大部分中的地方都是特別寒冷的,零下200度以下的溫度才是宇宙中絕大多數地方的正常溫度。只有靠近恆星的一些行星上才會比較溫暖。所以我們人類還是很幸運的,生活在了宇宙中很美麗的一片伊甸園。


科壇春秋精選

施鬱

(復旦大學物理學系教授)

先談一下溫度。物質的溫度代表的是微觀組份粒子(比如對於空氣來說,組份粒子就是空氣分子)的平均動能,即運動能量。運動能量最低是零,代表靜止。因此溫度不是無限可低的,有個最低值,對應於平均運動能量為零,也就是靜止。這叫作絕對零度。在我們通常用的攝氏溫標中,絕對零度就是零下273.15度。

在地球上,大自然的最低溫度是攝氏零下89.2度。在月球上,最低溫度是攝氏零下247度。在火星上,最低溫度是零下125度。

在宇宙空間,目前已知的最冷的地方是半人馬星座的飛鏢星雲(由形狀命名,但是更像蝴蝶結),這是距離地球5000光年的行星星雲。那裡的溫度是比絕對零度高1度!這是很低的,要知道,宇宙空間充斥的微波背景輻射是比絕對零度高3度。這是目前已知的唯一的比微波背景輻射冷的天體。這個星雲是由從中心的一個老化的恆星向外膨脹的氣體和塵埃形成的,氣體膨脹速度是每秒165404.8米。1995年被天文學家用49英寸的瑞典-歐洲空間望遠鏡-亞微米射電望遠鏡發現。

然鵝!其實最冷的地方是在冷原子實驗室,那也是在宇宙之中啊。 目前最冷紀錄保持者是在麻省理工學院Ketterle教授的實驗室,他們用磁場和重力束縛的鈉原子氣的溫度最低達到只比絕對零度高10億分之0.5!在如此低的溫度,原子形成了玻色-愛因斯坦凝聚體。

這是他們1995年創造的紀錄,是首次達到絕對納度以下。 我沒有找到現在這個紀錄被打破的信息。


物理文化與施鬱世界線

據外國媒體報道,天文學家近日藉助世界規模最大的毫米級/亞毫米級地面射電望遠鏡陣列阿塔卡瑪,揭開了宇宙最冷之地的真實面貌。而在對距離地球5000光年的布莫讓星雲進行觀測時發現,這個一直被稱做回力棒的星雲,其實有著另一種外形。研究結果被認為對理解恆星的死亡過程以及其如何演變為行星狀星雲都有十分重要的意義。


布莫讓星雲是目前已知的宇宙中最冷的地方。

根據科技日報報道,布莫讓星雲是目前已知的宇宙中溫度最低的地方,達到了驚人的-272℃。其冰冷程度不僅超過大爆炸造就的宇宙背景的溫度,與絕對零度相比也僅僅高了1.15℃。

此前,這個天體之所以被稱作回力棒星雲,是因為天文學家最初使用地面望遠鏡對其進行觀察時,發現其彎曲的外觀與澳洲土著使用的武器回力棒相似,便以此命名。隨著技術手段的進步,1998年,哈伯太空望遠鏡的觀測結果對這一形狀進行了修正——看起來更像一個蝶形的領結。不過,ALMA望遠鏡最近提交的資料顯示,前輩哈伯望遠鏡也只是窺豹一斑,所謂的雙葉形結構或許只是光在可見波長下向人類展示的一個把戲。


布莫讓星雲圖片

這個終極冷酷的星體令我們著迷。藉助ALMA,我們得以對它的本質進行了更深入的認知。美國國家航空太空總署(NASA)噴氣推進實驗室首席研究員拉夫文德拉·薩哈伊表示。他作為第一作者,將論文發表於近期的《天體物理期刊》上。

在薩哈伊看來,人們從地面光學望遠鏡看到的星雲外觀,確實是一個類似領結的雙葉形或者一端有缺口的回力棒,但真實情況卻是一個快速向太空中擴展、範圍更為廣大的結構。

位於半人馬座的布莫讓星雲,是一個相對年輕的行星狀星雲,即處於生命末期的恆星的形態。此時恆星的外層已經拋散至太空,只存中心位置的白矮星不斷髮射著強烈的紫外輻射,令星雲中的氣體發光,併發出明亮色彩。

薩哈伊指出,哈勃望遠鏡觀察之所以得到領結的形象,在於雙葉形狀是大多數行星狀星雲常具有的外觀——當高速氣流從恆星中向外噴射而出時,它們會在周圍由先前紅巨星形態下所噴發的物質形成的氣體雲中,衝出一條圓形的空洞。

ALAM望遠鏡的結果證實了這一點。但天文學家發現,布莫讓星雲的雙葉形結構只存在於內部區域,而外層則是一片拉長的、近乎圓形的低溫氣體雲。另外,他們還找出了雙葉形結構形成的原因——包裹著恆星的一層毫米級塵埃顆粒。這些塵埃粒遮蔽了恆星中心發出的部分光線,逼迫其只能通過狹窄的反方向通道進入氣體雲,最終呈現出人們最初觀察到的特殊外形。


微微餓


宇宙中最冷的溫度是熱力學溫度中的絕對零度,為零下273.15攝氏度。

絕對零度是指原子絕對靜止的溫度。物體的溫度實際上就是原子在物體內部的運動。當我們感到一個物體比較熱的時候,就意味著它的原子在快速運動;當我們感到一個物體比較冷的時候,則意味著其內部的原子運動速度較慢。然而,熱力學定律也同時規定,絕對零度永遠無法達到,只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行能量和熱量的相互轉換。

目前發現,即使在遙遠的星球上或在空無一物的宇宙空間,也存在溫度,達不到絕對零度。在遙遠的冥王星上,太陽已經成為一顆小光點,不會給冥王星帶來熱量了,那裡的溫度為-234.4℃,幾乎是太陽系中最冷的溫度了。在宇宙空間,也存在絕對溫度2.7度的溫度。但這還不是宇宙中最冷的地方。

在某些星雲內部,幾乎達到了絕對零度。科學家發現,有一個行星狀星雲,叫“回力棒星雲”,位於半人馬星座,距離地球約5000光年。其內部溫度只有絕對溫度1度就是約零下272攝氏度,是“宇宙中已知的最冷天體”,也是目前發現的宇宙中最冷的地方。


天津文哥

宇宙之浩茫,無邊無際,既便是精確到一個星系,都難於上青天,別說還想知道最冷的地方在哪裡,能搞懂銀河系都不得了,銀河系直經可都是8光年,人類最遠探測器飛了40年的拒離用光速只要17小時。



事後說

地球環境適合人類生存,允許液態水的存在,主要原因在於地球可以接收到太陽的照射,在地球內部有頻繁運動,在表面又有大氣層的保護。而在太空中缺少了這些必要條件,溫度自然也就極低。根據物理學定律,絕對零度為零下273.15攝氏度(或者也可以記為0開爾文),這是一種在理論上無法達到的狀態。即使是在看似空無一物的太空中的溫度也要高於絕對零度,瀰漫在宇宙中的宇宙微波背景輻射(Cosmic Microwave Background)讓太空中的平均溫度達到了2.725開爾文。那麼宇宙中最冷的地方在哪裡?要達到接近絕對零度的極低溫度,需要精心設計,人類曾在地球表面的實驗室中創造出已知的宇宙中的最低溫度,而更低的溫度,可能即將出現在地球軌道上的國際空間站(International Space Station)中,這也標誌著人類探索物質本質的又一個進步。

美國物理學家埃裡克·康奈爾(左)與美國科學家戴維·維恩蘭德  

人們常見的物質形態有固態、液態和氣態等。實際上,在一些極端條件下,物質還會呈現出更多奇特的狀態。例如,在極低的溫度條件下,某些特定的原子就會呈現出一種在量子力學的描述中,更接近於“波”的狀態。在20世紀20年代,印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色(Satyendra Nath Bose)和愛因斯坦做出預測,玻色子原子(遵守玻色統計,可以有多個原子處於同樣能量狀態的原子)在接近絕對零度的溫度狀態下,會呈現出一種氣態的、超流性的物質狀態,這種理想中的物質狀態被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose–Einstein condensate)。在這種狀態下,理論上玻色子原子因為處於極低的能量態,它們的波函數發生重合,從而可能展現出一種“宏觀的量子態”——也就是說,在理論上兩個處於玻色-愛因斯坦凝聚態的物質在一起,它們並不會發生融合,而是會像波一樣發生干涉。   

這種理論上的預測出現之後,很多物理學家都試著通過實驗真正創造出這樣的物質狀態,然而其中最艱難的部分莫過於在實驗室中創造出接近絕對零度的溫度,因為在極低的溫度狀態下,任何擾動,或者是實驗對象與周圍環境的接觸都可能造成實驗失敗。直到1995年,美國物理學家埃裡克·康奈爾在實驗天體物理聯合研究所的實驗室中,首次把處於氣態的銣原子冷卻到只比絕對零度高出十億分之一開爾文的極低溫度,第一次觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚態。這遠遠低於人們已知的宇宙中其他任何位置的溫度。因為這項實驗成就,埃裡克·康奈爾也與卡爾·威曼(Carl Wieman)和沃爾夫岡·克特勒(Wolfgang Ketterle)共同獲得了2001年的諾貝爾物理學獎。

玻色-愛因斯坦凝聚態向人們展現出了物質在極端條件下的奇特行為,量子力學所描述的大多出現在微觀世界的情形也在宏觀條件下出現,向人們展示了物質本質的另一面。而探索並沒有止步於此,人類對於低溫的追求更是沒有止境。下一步,在更低的溫度條件下研究玻色-愛因斯坦凝聚態的實驗將會出現在太空中。   

想要在地球表面實現沒有重力干擾的實驗環境殊為不易。2007年,在德國不來梅應用空間科技與微重力中心,物理學家們從一個146米的高塔上扔下一個冷原子實驗設備——在這個長達5秒鐘的自由落體過程中,設備內部相當於處於沒有重力的狀態,在這個過程中實驗設備內部達到了百億分之五開爾文的低溫。時至2017年1月23日,一個名為“QUANTUS”的合作試驗項目在瑞典北部發射了一枚火箭,在距離地面240公里的高空中,長達6分鐘的失重條件下,實驗人員首次在太空中實現了玻色-愛因斯坦凝聚態。   

在2018年,美國航空航天局(NASA)將會把一個價值7000萬美元的冷原子實驗室(Cold Atom Laboratory)發射升空至國際空間站,讓地面上的科學家可以控制宇宙空間站內的設備進行低溫試驗。這個看起來只有冰箱大小的冷原子實驗室正在由位於加州的噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)建造,目的正是要在太空中獨特的低溫和微重力環境中達到更低更穩定的試驗溫度,從而觀測一些在地面上無法實現的物理現象。   

在地面環境中,因為受到重力的影響,物質無可避免地要落向地面,因此物理學家們只能維持大約10~20微秒的玻色-愛因斯坦凝聚態進行觀察,而在國際空間站的微重力條件下,冷原子實驗室的項目科學家羅伯特·托馬森(Robert Thompson)認為,玻色-愛因斯坦凝聚態將可以維持5~10秒的時間,而在經過調整和升級之後,科學家預計這種狀態將可以維持上百秒——直到實驗環境被外界過熱的氣體所破壞。這將留給物理學家極大的自由度進行各種實驗。   

在太空中微重力的條件下,更容易實現更低的試驗溫度。冷原子實驗室實際上可以被看成是一個發射激光的盒子:在接近真空的實驗環境中,通過調製的固定頻率的激光照射原子,使原子釋放出光子,達到其最低能量狀態,同時微波又可以像刀一樣,不斷將能量過高的原子隔除到實驗環境之外,通過這樣的手段就可以使眾多原子共同達到極低溫狀態。在沒有重力干擾的情況下,可以通過相比地面更微弱的磁場來限制原子的運動,而又不至於令其丟失。類似於熱脹冷縮的原理,更微弱的限制也更容易達到更低的溫度——通過這種手段有可能達到史無前例的低溫。

冷原子實驗室在國際空間站投入工作之後,在地球上將有5個研究小組對其遙控進行實驗,其中就包括諾貝爾獎得主埃裡克·康奈爾。玻色-愛因斯坦凝聚態作為一種宏觀的量子物體,對於外界的任何干擾都會極其敏感,人類有可能利用它製作極為靈敏的傳感器和鐘錶。另外冷原子實驗室還將對費米子原子進行降溫,模擬電子在固體中的行為,這可以幫助人們理解超導現象,人們還可以利用這種物質狀態直接對引力進行測量,研究引力和暗能量的本質。宇宙空間和物質本質更深刻的秘密,有可能正是藏在太空之中。


哲學詩畫

宇宙中最冷的地方就是天狼星編號9587號星球,這個星球發射出冰凍冷射線,也就是說它的射線低於絕對0度,而9587內核為冷原子組成,也就是傳說中的最大原子核,一顆原子超過10噸,由於超大原子聚合需要不斷吸收外界能量,當從宇宙中吸收能量時候,會形成超低溫射線。也就是你們看到的藍色冷光。

當物質碰到藍色冷光可以溫度降到絕對0度以下。所以說藍色冷射線在宇宙中就是恐怖的冷凍槍。宇宙飛船和UFO都繞道而行。

我是天狼星過來的智慧星人類


清請情感

不好說!宇宙中,最冷的地方。或許,在黑洞中;亦或在人類自己內心深處!


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