哈勃望遠鏡拍攝的旋鏢星云彩色圖像。這顆恒星噴出的氣體快速膨脹，導致其在絕熱狀態下冷卻，其內部部分區域的溫度甚至低于大爆炸的余輝。（圖片來源：NASA/HUBBLE/STSCI）
不考慮實驗室中人造的低溫環境，宇宙中最冷的地方在哪里？自然條件下的最低溫度又是多少？
在我們的想象中，最冷的地方應該空無一物——沒有移動的粒子、沒有額外的輻射，只有無處不在的宇宙微波背景輻射。然而，事實并非如此。已知的宇宙最低溫度，就出現在銀河系內，距離我們僅5000光年的一個特殊星云中。
撰文 | Ethan Siegel 、Starts With A Bang團隊
翻譯 | 馬一瑗
審校 | 楊心舟 吳非
盡你所能想象一個極寒之地，其中組成物質的粒子運動“極”慢，慢到接近絕對靜止。在內部沒有多余的熱量供粒子吸收，外部也沒有熱源為其供能。
理論上來說，這個粒子需要離任何移動粒子及輻射越遠越好，此外還要盡可能地遠離恒星、星系和收縮的氣體云，并且屏蔽掉所有外部光子。在星系間最理想的隱蔽之地，所有的星光都照射不到，只有大爆炸的余輝——2.725 K的宇宙微波背景輻射給粒子提供熱能。但這還不足以描述宇宙中最冷的地方，我們自己星系中的旋鏢星云就比那里更冷。
隔絕熱源
不論你去往宇宙何處都會遇上熱源，你離它們越遠就越冷。地球距太陽1.5億千米，溫度保持在300K（約27℃）左右。但如果沒有大氣層，這個溫度將會低近50K。再往遠處走，太陽的供熱能力就越來越弱了。比如冥王星只有44K，這個溫度足以使液氮凍結。但這還離最冷有一段距離，為了隔絕恒星的熱能，我們需要去一個更為孤立的地方，比如星際空間。
在星系中獨自漫游的冷分子云溫度僅比絕對零度高出10 K到20 K。由于恒星、超新星、宇宙射線、恒星風等都會為星系提供能量，因此在銀河系內很難比冷分子云更冷。只有在星際空間中，距離最近恒星也有數百萬光年的情況下，宇宙微波背景輻射才能成為唯一的熱源。
如果微波可視，夜空看起來會像代表2.7 K的綠色橢圓形，中心的“噪音”是由我們較熱的星系平面造成的。這種帶有黑體光譜的均勻輻射就是宇宙微波背景輻射，是宇宙大爆炸余輝的證據。（圖片來源：NASA / WMAP SCIENCE TEAM）
當溫度低于3K時，幾乎無法檢測到的光子將成為四周唯一的熱源。由于宇宙各處都會不斷受到紅外、微波和射電光子的轟擊，你可能以為宇宙微波背景輻射的2.725 K就是自然界中的最冷溫度了。想要更冷，就得等宇宙進一步膨脹，拉伸光子波長。
假以時日，這當然會發生。138億年后，等宇宙年齡達到現在的兩倍，其溫度會降到僅比絕對零度高1K。但現在，就有一個地方比星際空間最深處還冷。
旋鏢星云是一個年輕的成型中行星狀星云，也是目前所知宇宙中最冷的地方。（圖片來源：ESA/NASA）
旋鏢星云
這個地方就在銀河系中，距離我們僅5000光年。1980年，它于澳大利亞被觀測到。因其不對稱的兩葉狀外觀與澳大利亞土著使用的武器回旋鏢相似，該星云被命名為“旋鏢星云”（Boomerang Nebula）。進一步的研究表明它是一個前行星狀星云，相當于類太陽恒星死亡過程的中間階段。
所有類太陽恒星都會演變成紅巨星，并以行星狀星云、白矮星結合體的形式結束生命——外層被吹走，核心坍縮成熱的簡并態。但是在紅巨星和行星狀星云之間，還有一個被稱作“前行星狀星云”的過渡階段。
前行星狀星云IRAS 2006 84051比旋鏢星云更熱，但也處于紅巨星到行星狀星云/白矮星的過渡階段。（圖片來源：ESA/HUBBLE & NASA）
前行星狀星云階段出現在恒星內部溫度升高之前，在恒星外層開始被吹走之后。被吹走的氣體通常在恒星的兩極發生噴射，噴射物從恒星系統被拋射至星際介質中。這個階段只持續短暫的幾千年。目前僅發現了十幾顆處在這個階段的恒星，旋鏢星云就是其中一例。它的氣體排出速度為每秒164千米，大約是正常速度的10倍。因此其質量損失的速度也要高于正常值，每年大約損失兩個海王星的質量。鑒于此，它是已知宇宙中最冷的天然場所，某些區域甚至達到0.5K，僅比絕對零度高半攝氏度。
旋鏢星云的毫米波長圖，這個空間區域的黯淡可見光視圖被無線電數據覆蓋。（圖片來源：NRAO/AUI/NSF/NASA/STSCI/JPL-CALTECH）
