宇宙中最冷的地方，竟然离我们这么近
不管实验室里的人工低温环境如何，宇宙中最冷的地方在哪里？自然条件下的最低温度是多少？
在我们的想象中，最冷的地方应该是空的——没有运动的粒子，没有额外的辐射，只有无处不在的宇宙微波背景辐射。然而，事实并非如此。宇宙中已知的最低温度出现在距离银河系5000光年的一个特殊星云中。
就你所能想象的，在一个非常寒冷的地方，组成物质的粒子“极其”缓慢地移动到接近绝对静止。粒子内部没有多余的热量可以吸收，外部也没有热源为它们提供能量。
理论上，粒子需要尽可能远离任何运动的粒子和辐射，以及尽可能远离恒星、星系和收缩的气体云，并屏蔽所有外部光子。在星系中最理想的藏身之处，所有的星光都无法照射，只有宇宙大爆炸的余辉——宇宙微波背景辐射——为粒子提供热能。但是这不足以描述宇宙中最冷的地方。我们银河系中的达特星云比那里冷。
隔离热源
无论你去哪里，你都会遇到热源，离热源越远，温度就越低。地球离太阳有1.5亿公里，温度保持在30万摄氏度左右。但是如果没有大气，气温会低近50K。在更远的地方，太阳的热容量会变得越来越弱。例如，冥王星只有44K，足以冻结液态氮。然而，离最冷的地方还有一段距离。为了隔离恒星的热能，我们需要去一个更隔离的地方，比如星际空间。
独自漫游在星系中的冷分子云的温度仅比绝对零度高10 K到20 K。因为恒星、超新星、宇宙射线、恒星风等。所有这些都为星系提供能量，很难比银河系中的冷分子云更冷。只有当星际空间中离最近的恒星有数百万光年远时，宇宙微波背景辐射才能成为唯一的热源。
如果微波是可见的，夜空将看起来像一个代表2.7 K的绿色椭圆形。中心的“噪音”是由我们较热的星系平面引起的。这种黑体光谱的均匀辐射是宇宙微波背景辐射，是大爆炸余辉的证据。(照片来源:美国航天局/世界气象卫星应用方案科学小组)
当温度低于3K时，几乎无法探测到的光子将成为周围唯一的热源。当红外线、微波和无线电光子轰击宇宙的所有部分时，你可能会认为2.725 K的宇宙微波背景辐射是自然界中最冷的温度。如果你想变得更冷，你必须等待宇宙进一步膨胀，拉伸光子波长。
随着时间的推移，这肯定会发生。138亿年后，当宇宙的年龄达到目前水平的两倍时，它的温度将下降到仅仅比绝对零度高1千度。但是现在，有一个地方比星际空间的最深处还要冷。
达特星云是一个正在形成的年轻行星状星云，也是据我们所知宇宙中最冷的地方。(图像来源:欧空局/美国航天局)
镖状星云
这个地方距离银河系只有5000光年。1980年，在澳大利亚发现了这种现象。这个星云被命名为“回旋镖星云”，因为它不对称的双瓣外观类似于澳大利亚原住民使用的回旋镖。进一步的研究表明，这是一个前行星状星云，相当于类日恒星死亡过程的中间阶段。
所有类似太阳的恒星都将演化成红巨星，并以行星状星云和白矮星组合的形式结束生命——外层被吹走，核心坍缩成热退化状态。然而，在红巨星和行星状星云之间，还有一个过渡阶段，叫做“前行星状星云”。
前行星星云IRAS 2006+84051比达特星云更热，但它也处于从红巨星到行星星云/白矮星的过渡阶段。(图像来源:欧空局/哈勃和美国航天局)
行星前星云阶段发生在恒星内部温度上升之前和恒星外层开始吹走之后。吹出的气体通常在恒星的两极喷射，喷出物从恒星系统喷射到星际介质中。这个阶段只持续了几千年。目前，在这个阶段只发现了十几颗恒星，包括达特星云。它的气体排放速度是每秒164公里，大约是正常速度的10倍。因此，它的质量损失率也高于正常水平，每年大约损失两个海王星质量。鉴于此，它是已知宇宙中最冷的自然场所。有些地区甚至达到0.5千米，仅比绝对零度高半度。
达特星云的毫米波长图。这个空间区域的模糊可视视图被无线电数据覆盖。(资料来源:NRAO/AUI/国家科学基金会/美国航天局/科学、技术和科学研究所/JPL-加州理工学院)
任何其他行星状或前行星状星云都比达特星云热得多，原因很简单。我们可以通过呼吸来理解:深呼吸，屏住呼吸3秒钟，然后呼气，把手放在嘴前15厘米处。你可以用两种方法来做:
1.张开嘴，呼气。你可以感觉到暖风慢慢吹向你的手。
2.嘴唇上只剩下一个缝隙可以呼气，此时呼出的空气感觉更冷。
在这两种情况下，你吸入的空气被加热并保持在较高的温度，直到被呼出。当你张开嘴呼气时，你的手会感到温暖，因为空气流动缓慢。然而，当通过一个非常小的开口呼气时，空气会迅速相互挤压做功，导致绝热膨胀，加速空气冷却。
产生镖状星云的恒星外层满足所有条件:大量热物质从两个小开口迅速喷出，并有足够的空间膨胀和冷却。
令人惊讶的是，有人在达特星云被发现之前就预言了它的存在。天文学家Raghvendra Sahai曾通过计算提出，符合上述条件的行星前星云的温度可以低于宇宙微波背景辐射。萨海后来在1995年参与了达特星云长波的测量。他的团队测量的达特星云的温度是已知宇宙中自然达到的最低温度。
达特星云及其周围地区的温度图。蓝色区域扩展最大，因此温度最低。(资料来源:美国航天局/SPL)
达特星云是迄今发现的唯一一个温度低于大爆炸余辉的前行星星云，但它不是唯一的一个，宇宙中可能还有更冷的地方。我们将继续搜索。也许我们自己的恒星，太阳，在它的晚年也能打破这个记录。