Мысленно путешествуя по космосу, мы часто видим массивные звёздные системы и яркие солнца. Но в этой бесконечной тьме существуют области, где температура стремится к абсолютну нулю – пределу, недостижимому для термодинамических процессов. Там звезды умирают, и там, возможно, зарождаются самые увлекательные тайны Вселенной.
Unsplash
Средняя температура на Земле равна 300 К. Расстояние до Солнца превышает 149 миллионов километров. На других планетах температура ниже: например, на Плутоне она держится около 44 К, а за пределами Солнечной системы еще холоднее.
Вещество в молекулярных облаках, плывущих по галактике на расстояниях в световые годы от ближайших звезд, имеет температуру от 10 до 20 кельвинов, близкую к абсолютному нулю. В остальных частях галактики температура не опускается ниже, так как все участки хоть каким-то образом нагреты излучением звезд.
В пространстве между галактиками возможно испытать ещё более сильный мороз, чем в молекулярном облаке, удалённом от источников излучения. Галактики отделены миллионами световых лет пустоты, и единственным доходящим до всех уголков космоса излучением является реликтовое микроволновое излучение, сохранившееся со времени Большого Взрыва. Температура этого излучения определяет температуру межгалактического пространства, которая не может быть ниже 2,725 К. Может показаться, что в природе нет более холодных мест. Однако это ошибочно.
Температура излучения межгалактического пространства упадет ниже 2,725 К после того, как Вселенная немного расширится. Сейчас это происходит со скоростью примерно 770 км/с на 3,26 миллиона световых лет. Вселенной сейчас 13,78 миллиардов лет, а когда возраст удвоится, реликтового излучения хватит едва ли на один градус выше абсолютного ноля.
Сейчас имеется возможность обнаружить подобное холодное место во Вселенной, и оно находится сравнительно близко к нам — в туманности Бумеранг, расположенной приблизительно в пяти тысячах световых лет от Земли.
В сердце туманности Бумеранг находится умирающая звезда, когда-то была желтым карликом, подобным нашему Солнцу. Как и другие звезды такого же спектрального класса, звезда в туманности Бумеранг стала красным гигантом и завершила жизнь в системе из белого карлика и препланетарной туманности вокруг него.
Планетарная туманность — это остатки вещества красного гиганта, которое звезда потеряла при сжатии своего центра до белого карлика. Но прежде чем стать планетарной туманностью, красный карлик проходит стадию препланетарной туманности. Если в препланетарной туманности сойдутся все необходимые условия, то температура в ней может опуститься ниже самой низкой во вселенной. Таковы расчёты индийского астронома Равендры Сахая, сделанные ещё до того, как его команда создала температурную карту Бумеранга и подтвердила, что там действительно невероятно холодно.
Предзвездная туманность образуется при повышении температуры в ядре звезды и начале отделения периферии. Выброс вещества обычно происходит двумя струями — потоками плазмы из внешних слоев звезды. Струи существуют сравнительно недолго по космическим меркам: несколько тысяч лет. При достаточно быстрой скорости движения плазмы в струях звезда теряет вещество с огромной скоростью, что приводит к появлению областей с температурой 0,5 К — ниже, чем в любом другом месте во вселенной.
Это явление происходит по той же причине, что и охлаждение воздуха при выдохе через трубочку: тепло от молекул переходит в энергию движения, делая воздух холоднее 36,6°C по сравнению с воздухом, выдыхаемым широко открытым ртом.