【宇宙杂谈】宇宙中最冷的地方是什么？（文字版）

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上回说月球上的极地陨石坑中，由于长年没有阳光照射，成了除实验室外太阳系中目前已探测到的最冷的地方。太阳系最冷的地方在月球陨石坑中，那宇宙最冷的地方会在哪儿呢？

注意啊，这里有两个前提：1、除实验室外 2、目前已探测到。也就是说这个地方必须是自然形成的，而且还必须是已经被观测到的。

上回不少人提到流浪行星，流浪行星这种星际天体由于远离恒星，如果本身再足够小，并且还没有大气层保温的话，它确实可以达到非常低的温度。理论上只要一个天体远离所有辐射源，自身也彻底冷却后，此时唯一能给它带来热量的，就只剩宇宙大爆炸的“余温”了。

作为大爆炸的余晖，宇宙微波背景辐射已经随宇宙膨胀，从当初的3000多度降低到了今天的不到3K。既然是宇宙的“背景温度”，那正常情况下应该不存在比它更冷的地方了吧？

另外虽然背景辐射具有显著的各向同性特征非常均匀，但在一定程度上不同区域之间还是会存在差异。比如可以看到，图片中那种颜色明显比周围更蓝的地方，说明那里有着更低的温度，因此被称为“冷斑（Cold Spot）”。那这里会不会就是宇宙最冷的地方呢？

不过啊，背景辐射的均匀程度远超一般人想象。我们看到的这种存在颜色差异的图片，其实它的精度非常高。有多高呢？在排除了地球在宇宙中的相对运动后，这里各处的温度差异大约只有十万分之一。根据普朗克卫星的数据，“冷斑”的温度比背景辐射的平均温度只低了大约100μK左右。所以说这里最冷，其实意义并不大。

另外背景辐射的温度仅仅是宇宙的背景温度，实际上在宇宙中充斥着各种各样的热源。

如果是在星系中的话，恒星风、超新星以及各种的宇宙射线，它们都充当了空间里的热源。因此在我们银河系的星际空间中，温度是很难接近背景辐射温度的。只有出了银河系，在更加广袤的星系间的“星系际空间”中，微波背景才可能会成为唯一的热源。

但是实际上，哪怕是接近背景辐射的星系际空间也不是温度最低的地方。有一个地方，它的温度甚至比背景辐射还要低，而且不在别处，就在我们银河系中。

上世纪80年代，天文学家发现了一个有点奇怪的星云。受限于当时的设备，那时人们对它的样貌看得并不是很清楚，只能隐约看到它内部有两个瓣，而且不太对称，有点像回旋镖的样子，所以就把这个星云起名叫“回旋镖星云”，也叫“回力棒星云”。

1998年，通过哈勃望远镜这次人们终于看清了星云的模样，整个外形非常对称，像一个“领结”。因此人们给它起了个更贴切的名字——“领结星云”。

这是一个距离我们只有5000光年的原行星状星云（PPN），或者叫原行星云。

行星状行云（PN）是类太阳恒星死亡后形成的一种星云；原行星状星云则是一种还未成为行星状星云，但是恒星已经处于演化末期，即将成为行星状星云的中间状态。处于这个状态的星云持续时间一般都很短，通常只有几千年，所以处于这个阶段的恒星和星云并不多见，目前只发现了十几例。但就在这十几例中，领结星云表现出了它独特的地方。

大约1500年前，一颗类太阳恒星进入了演化晚期，并逐渐膨胀为一颗红巨星。当红巨星正在把自身的物质向外抛洒时，此时发生了一件事——一颗小质量伴星撞向了它。这次撞击让原本普通的星云变得不再普通。

由于突然闯入的伴星，红巨星的外层被严重撕裂，附近的气体以164km/s的速度从星云的中央高速喷出，这个速度是通常红巨星抛洒物质的10倍。这些外流的气体向外喷射了将近2光年，同时气体还使得沿途的星云迅速向外膨胀。回旋镖和领结的外形正是由这些高速外流和极速膨胀的气体构成的。

这超乎寻常的速度，意味着这里的物质拥有着极高的动量。这样一来，这些物质理应会因为做功而使得自身的温度降低，这在热力学中被称为绝热膨胀，也叫绝热冷却。

绝热膨胀是指在一个与外界没有热交换（或者热交换可以忽略）的孤立系统中，气体的膨胀对外做功会使得温度下降。宇宙膨胀导致背景辐射温度的降低，就可以看做是一种绝热膨胀。

其实这种现象在日常生活中也有例子：

不知道你小时候有没有摔过打火机？当打火机摔破后，里面的液化气因为失压会迅速挥发，这时候你去摸它的外壳就会发现非常凉。这就是绝热膨胀导致的。

还有比如为什么哈气会感觉热，吹气就感觉凉？有人说风速不一样。那你试试慢速地吹气和快速地哈气，哪个凉哪个热。其实这个就可以从绝热膨胀的角度来解释：哈出来的气体原本体积就比较大，扩散速度会比较慢；而吹出来的气体体积很小，扩散速度相对较快，所以感觉会凉一些。

那么如果这片星云中也有类似现象的话，它的冷却速度会比恒星给它的辐射快得多。据此天文学家预测，该星云可以达到非常低的温度，甚至可以低到比宇宙中自然发生的任何其他温度都要低。

由于CO分子的谱线强度可以精确反映出气体云的温度，1995年天文学家通过阿塔卡马射电望远镜（ALMA）首次测得了该星云的温度—— -272.15°C（1K），只比绝对零度高了1度！这片星云也成了迄今为止发现的唯一一个温度低于背景辐射的天然物体。

因为背景辐射都有2.7K，这意味着这片星云中的物质竟然在吸收背景辐射的能量！这是何等的离谱。不过随着气体云膨胀速度的减缓，最终它还是会和周围达到热平衡。目前就观测到，这片星云的外围似乎已经有变暖的迹象。

也许50亿年后，当我们的太阳也走到了这个阶段，到那时太阳系或许将成为宇宙中又一个最冷之处。

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