Туманность Бумеранг в нашей галактике даже холоднее, чем абсолютно пустое пространство. Вот как это возможно.
Представьте себе самое холодное место, какое только возможно. Внутри него частицы, из которых состоит материя, движутся так медленно, как вы только можете себе представить, приближаясь к квантовому пределу того, что значит быть по-настоящему в покое. Поблизости не будет крупных внутренних источников тепла, которые могли бы поглотить эти частицы внутри; не будет значительных внешних источников энергии, нагревающих их извне.
Физически это означает, что вы должны находиться как можно дальше от всех источников движущихся частиц и излучения. Вы хотели бы находиться как можно дальше от звезд, галактик и сжимающихся газовых облаков. Вы бы хотели отфильтровать любые внешние источники фотонов. Если бы вы направились в самые глубокие уголки межгалактического пространства, защищенные от звездного света, единственное, что могло бы вас нагреть, - это оставшееся свечение Большого взрыва: космический микроволновый фон с температурой 2,725 К. И все же в нашей собственной галактике есть место - Туманность Бумеранг - там еще холоднее.
Куда бы вы ни отправились во Вселенной, есть источники тепла, с которыми нужно бороться. Чем дальше вы от них всех, тем холоднее становится. На расстоянии 93 миллионов миль от Солнца Земля держится при скромной температуре ~300 К, температура, которая была бы почти на 50 градусов ниже, если бы не наша атмосфера. Двигайтесь дальше, и Солнце становится все менее и менее способным согревать вещи. Плутон, например, имеет температуру всего 44 К: достаточно холодный, чтобы замерзнуть жидкий азот. И мы можем отправиться в еще более изолированное место, например, в межзвездное пространство, где ближайшие звезды находятся на расстоянии световых лет.
Холодные молекулярные облака, которые изолированно блуждают по всей галактике, еще холоднее, всего на 10-20 К выше абсолютного нуля. Поскольку звезды, сверхновые звезды, космические лучи, звездные ветры и многое другое обеспечивают галактику энергией в целом, трудно добиться более низкой температуры, чем в Млечном Пути. Только в межгалактическом пространстве, в миллионах световых лет от ближайших звезд, космическое микроволновое излучение будет единственным важным источником тепла.
При температуре менее 3º C выше абсолютного нуля эти едва различимые фотоны являются единственным источником тепла вокруг. Поскольку каждое место во Вселенной постоянно бомбардируется этими инфракрасными, микроволновыми и радиофотонами, вы можете подумать, что 2,725 К - это самая низкая температура, которую вы можете когда-либо получить в природе. Чтобы испытать что-то более холодное, вам придется подождать, пока Вселенная еще больше расширится, растянет длины волн этих фотонов и остынет до еще более низкой температуры.
Это произойдет, конечно, со временем. К тому времени, когда Вселенная станет в два раза старше, чем сегодня еще через 13,8 миллиардов лет температура будет всего лишь на один градус выше абсолютного нуля. Но есть место, куда вы можете заглянуть прямо сейчас, где холоднее, чем даже в самых глубоких глубинах межгалактического пространства.
Вам даже не нужно никуда специально идти! Это туманность Бумеранг, расположенная всего в 5 000 световых лет от нас в нашей собственной галактике. В 1980 году, когда она впервые наблюдалась из Австралии, она выглядела как двухлепестковая асимметричная туманность, поэтому в результате получила название «Бумеранг». Более точные наблюдения показали нам, чем эта туманность является на самом деле: предпланетарной туманностью, которая является промежуточной стадией жизни умирающей звезды, подобной Солнцу.
Все подобные Солнцу звезды эволюционируют в красных гигантов и заканчивают свою жизнь в комбинации планетарная туманность/белый карлик, где внешние слои сдуваются, а центральное ядро сжимается до горячего вырожденного состояния. Но между фазами красного гиганта и планетарной туманности есть фаза предпланетной туманности.
До того, как внутренняя температура звезды нагреется, но после того, как начнется выброс внешних слоев, мы получим предпланетную туманность. Иногда в сфере, но чаще в двух биполярных струях выбросы пробиваются из Солнечной системы звезды в межзвездную среду. Эта фаза недолговечна: всего несколько тысяч лет. Обнаружено, что в этой фазе находится всего около дюжины звезд. Но туманность Бумеранг среди них особенная. Его газ выбрасывается примерно в десять раз быстрее, чем обычно: со скоростью около 164 км/с. Он теряет свою массу с большей скоростью, чем обычно: материала на два Нептуна ежегодно. И в результате всего этого это самое холодное естественное место в известной Вселенной, а температура некоторых частей туманности достигает всего 0,5 К: полградуса выше абсолютного нуля.
Любая другая планетарная и предпланетная туманность намного горячее этой, но физика, лежащая в основе этого, является одной из самых простых для понимания. Сделайте глубокий вдох, задержите его на три секунды, а затем выдохните. Вы можете сделать это двумя разными способами, оба раза держа руку на расстоянии около 6 дюймов (15 см) ото рта.
- Выдохните с широко открытым ртом, и вы почувствуете, как теплый воздух нежно дует на вашу руку.
- Выдохните, сжав губы, сделав крошечное отверстие, и тот же воздух кажется холодным.
В обоих случаях воздух в вашем теле нагревается и остается такой высокой температуры до тех пор, пока он не пройдет мимо ваших губ. С широко открытым ртом он просто медленно выходит, слегка согревая руку. Но при небольшом открытии воздух быстро расширяется , что мы называем адиабатически в физике , и при этом охлаждается.
Внешние слои звезды, породившей туманность Бумеранг, имеют все эти условия:
- большое количество горячей материи,
- выбрасывается невероятно быстро,
- с крошечной точки (ну, двух точек),
- в котором достаточно места для расширения и охлаждения.
Самое удивительное в туманности Бумеранг то, что она была предсказана до того, как была найдена! Астроном Рагвендра Сахаи подсчитал, что предпланетарные туманности при правильных условиях - описанных выше - могут на самом деле достигать более низкой температуры, чем что-либо еще, что естественным образом возникает во Вселенной. В 1995 году Сахаи входил в состав группы, которая провела важные длинноволновые наблюдения, определившие температуру туманности Бумеранг, ныне известной как самое холодное естественное место во Вселенной.
Что касается того, почему туманность Бумеранг выбрасывает всю эту материю так быстро и таким коллимированным образом, это спорная и очень активная область исследований. Пока что туманность Бумеранг - единственная предпланетарная туманность, температура которой упала ниже температуры послесвечения Большого взрыва, но вряд ли это единственная когда-либо падавшая. Там, вероятно, есть еще более холодное место. Мы просто должны продолжать искать. А кто знает? Возможно, когда-нибудь звезда в центре нашей Солнечной системы - Солнце - станет рекордсменом.