入秋后凉意袭来 你知道宇宙中最低温度是多少吗

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  初入九月,部分地区已经开始逐渐变凉。地球上的温度变化万千,宇宙中不同天体的温度又如何?

  就人们的直观感受而言,温度就是物体的冷热程度。从微观层面看,物质都是由分子或原子组成,这些分子永不停息地做着无规则运动。虽然我们看不见分子的运动,但用手触摸时能感受到物体的冷热,其实就是分子热运动剧烈程度的体现——分子平均热运动动能大的温度就高,反之温度就低。

  日常生活中,人们发明了各式各样的温度计来测量温度。而对遥远的宇宙天体,我们怎么知道它的温度呢?

  不同颜色代表不同温度

  不同波长的光呈现出不同的颜色,蓝光的波长较短,红光的波长较长。早在战国时期,《考工记》就记载着“黄白之气竭,青白次之;青白之气竭,青气次之,然后可铸也”,即随着温度的升高,火焰会呈现出不同的颜色,到“炉火纯青”的时候温度最高。

  恒星的发光机制和炉火不同,但颜色与温度之间也存在着相关性。温度越低的恒星,颜色越偏红,例如红矮星表面只有两三千摄氏度,比邻星就是如此;温度越高的恒星,颜色越偏蓝,例如蓝超巨星的表面可达数万摄氏度。

  通过光谱测量,天文学家能够知道恒星在不同波长上辐射的光线强度,并且按波长画出辐射强度的分布曲线。一般来说,曲线的峰值波长(也就是辐射强度最大处的波长)决定了恒星的颜色。例如,太阳辐射的波峰在555纳米,为黄色。不同温度的恒星具有不同的峰值波长和分布曲线,从热辐射规律就能推算出它的表面温度,我们称之为有效温度。天体中还存在非热辐射过程,例如星系团内热气体的热韧致辐射,它们的温度可以用其他方法获得。

  恒星中心的温度要比表面高得多,是宇宙中最热的地方之一。我们地球内部的温度大约为6200开尔文(以下简称开),比太阳表面温度(5800开)略高一点,但是太阳内部的温度高达1500万开。质量最大、燃烧最快的恒星,核心温度可达2亿开以上。可与之相比的,是星系团中在各个星系之间弥漫着的热气体。它们往往具有几千万甚至上亿开的高温,产生如此高温的原因可能是被星系中心超大质量黑洞的喷流和星系风等加热。

  除此之外,当天体爆发和碰撞时,也可以达到更高的瞬时温度。例如大质量恒星死亡时爆发成为超新星,中心和膨胀壳层的温度可达到数百亿开。中子星碰撞的瞬间,外层温度更可高至几千亿开!宇宙中最重的元素,例如金、锶、铀等,就是在这些极高温过程中产生的。

  人类创造的最高温度,是2012年欧洲的大型强子对撞机撞出的5万亿开超高温。虽然只有一瞬间,但已经非常惊人了。今年4月,我国的“人造太阳”——“东方超环”首次实现1亿摄氏度运行近10秒。

  地球5000光年外温度接近绝对零度

  宇宙中的温度最高能达到多少呢?按照现有理论,宇宙中的最高温度被称为普朗克温度:超过1032开,即1亿亿亿亿开。它是最重的微观粒子以光速运动时所表现出来的温度,是正常物理过程不可能达到的温度上限,或许只存在于宇宙大爆炸的那一瞬间。

  理论上最低的温度是绝对零度,也就是0开尔文,即零下273.15摄氏度。当分子的热运动不断减弱时,物体温度就会不断降低,分子完全静止不动时,温度就达到了最低,被称为绝对零度。不过根据量子力学的不确定性原理,分子的运动不可能完全静止下来,所以绝对零度实际上是不可能实现的。在实验室里,物理学家通过激光冷却和磁冷却手段,可以将稀薄的原子气体冷却到绝对零度以上约十亿分之一开。2018年国际空间站上的冷原子实验室甚至将冷原子降温到了百亿分之一开!此时原子移动非常缓慢,可以用来研究超冷原子的特异量子特性。

  宇宙中已知的最低温地区,是距离我们5000光年的半人马座旋镖星云(Boomerang nebula)中心附近,那里的温度仅为1开左右。这可能是因为其存在一颗伴星,使得它外层物质的抛射速度达到了正常值的10倍,将温度降至极值。当然这一低温只是暂时的,它最终将升至和宇宙微波背景辐射等温。

  有很多文章都提到,太空中每立方厘米最多只有几个粒子,基本上就是真空,在这里温度这一概念也就失去了意义。那么假如我们把一个理想的温度计放入太空,读数会是多少呢?没人做过这个实验,所以还没有确切答案。不过我们可以根据已知的事实和规律做个推断。

  在恒星之间广袤的星际空间里,遍布着稀薄的星际气体和尘埃。它们的数密度极低,像地球体积这么大的范围内,所有的星际介质拢在一起还不如一个骰子大。所以几乎不会有星际介质微粒和温度计发生碰撞并传递能量,温度计永远也测不出这些粒子的温度。但是温度计自身也是由大量微观粒子组成的,也会辐射电磁波并损失热量。它的温度会慢慢降低,直到最后和宇宙微波背景辐射达到平衡,定格在2.73开。宇宙微波背景,是宇宙大爆炸早期诞生的高能光子,随着宇宙的膨胀和冷却,这些光子现在已经被拉长到了微波波段(波长在0.3—75厘米之间),成为遍布整个宇宙的“背景辐射”。和测量恒星的表面温度类似,人们测出了背景辐射的光谱分布曲线,求得它的温度为2.73开。

  宇宙微波背景辐射无处不在,在远离恒星等热源的宇宙空间中,它的温度可以视作空间本身的温度。空间中的其他粒子,例如星系团内的热气体等,可以具有极高的运动速度,以温度衡量其能量的话,可以高达上亿开。可见同一片空间中,极低温与极高温是同时共存的,可谓名副其实的“冰火两重天”。当然我们需要从微观粒子能量的角度来看待这里所谓的温度,也不会像触摸宏观物体一样感受到它们的冷和热。如果把一个小铁块放到这样的空间中,它并不会被融化乃至气化。实际上基本没有粒子会撞上铁块,它只会缓慢地通过热辐射降温至2.73开,那些稀薄的高温气体对它毫无影响。(作者系北京天文馆研究员) 

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