哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的回力棒星云彩色編碼圖像。從恒星中噴射出來(lái)的氣體以極快的速度膨脹，導(dǎo)致該星云絕熱冷卻。其中有些地方甚至比大爆炸遺留的輝光——宇宙微波背景——還要冷。

想象一下，宇宙中最冷的地方會(huì)是什么樣子？在那里，組成物質(zhì)的粒子以超乎想象的慢速運(yùn)動(dòng)，接近于真正靜止的量子極限。那里也沒(méi)有重要的內(nèi)部熱源，來(lái)吸收這些粒子，更沒(méi)有重要的外部熱源對(duì)它們進(jìn)行加熱。

從物理學(xué)的角度，這個(gè)地方應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離所有移動(dòng)的粒子和輻射源；盡可能遠(yuǎn)離恒星、星系和正在收縮的氣體云，同時(shí)屏蔽掉任何外部的光子源。如果你前往星系際空間的最深處，遠(yuǎn)離星光，唯一能讓你升溫的東西就是大爆炸的余輝：2.725K的宇宙微波背景。然而，就在我們所處的銀河系中，有這么一個(gè)地方比星系際空間還要冷。這就是回力棒星云（Boomerang Nebula）。

巴納德68星云（Barnard 68）的博克球狀體，其中富含宇宙塵埃。左圖為可見(jiàn)光圖像，右圖為紅外圖像。該星云的溫度低于20k，導(dǎo)致其在可見(jiàn)光和近紅外光下都不可見(jiàn)，但與宇宙微波背景的溫度相比，它仍然相當(dāng)溫暖。

無(wú)論去往宇宙的任何地方，你都要面對(duì)熱源。離熱源越遠(yuǎn)，你感受到的溫度就越低。地球距離太陽(yáng)大約1.5億公里，溫度十分適宜，保持在300K（0K=-273.15℃）左右。如果沒(méi)有我們的大氣層，地球的溫度會(huì)比現(xiàn)在低大約50℃。

向太陽(yáng)系的邊緣移動(dòng)，物體接收到的太陽(yáng)輻射就越少，溫度就越低。例如，冥王星的溫度只有44K，冷到足以使液氮凍結(jié)。

我們還可以更進(jìn)一步，去到更加空寂的地方，比如星際空間，那里與最近恒星的距離以光年計(jì)。寒冷的分子云孤獨(dú)地漫游在整個(gè)星系中。就溫度而言，它們甚至比我們?cè)谔?yáng)系中所能找到的最遙遠(yuǎn)的星球還要冷：僅比絕對(duì)零度高10K到20K。

由于恒星、超新星、宇宙射線、恒星風(fēng)等都在為整個(gè)星系提供能量，我們很難在銀河系中找到比這更冷的地方了。只有在距離最近恒星數(shù)百萬(wàn)光年的星系際空間，宇宙微波背景才會(huì)成為唯一重要的熱源。畢竟，宇宙大爆炸是在空間各處同時(shí)發(fā)生的，其留下的輻射以光速傳播，在各個(gè)方向幾乎一模一樣。隨著宇宙的膨脹，輻射逐漸冷卻下來(lái)，但我們今天仍然可以觀察到這些大爆炸的遺留。它們被稱為宇宙中最古老的光，經(jīng)過(guò)138億年的時(shí)間和空間旅行，終于被我們探測(cè)到。

鷹星云以其中正在形成的恒星而聞名，包含了大量的博克球狀體，即暗星云。這些球狀體尚未蒸發(fā)，處于坍塌過(guò)程中，在完全消失之前會(huì)形成新的恒星。盡管這些球狀體的外部環(huán)境可能非常熱，但其內(nèi)部可以免受輻射的影響，溫度能夠達(dá)到非常低的水平。

在絕對(duì)零度以上不到3℃的地方，這些幾乎無(wú)法探測(cè)到的光子是周?chē)ㄒ坏臒嵩础Ｓ捎谟钪嬷械拿恳粋€(gè)地方都不斷受到紅外、微波和無(wú)線電光子的轟擊，你可能會(huì)認(rèn)為2.725K是自然界中最冷的溫度。想要有更冷的體驗(yàn)，你必須等待宇宙進(jìn)一步膨脹，拉伸這些光子的波長(zhǎng)，并冷卻到更低的溫度。

當(dāng)然，這是遲早會(huì)發(fā)生的事情。當(dāng)宇宙的年齡是現(xiàn)在的兩倍，即再過(guò)138億年時(shí)，星系際空間的溫度將僅比絕對(duì)零度高1K。然而，我們現(xiàn)在就可以找到這樣一個(gè)地方，其溫度甚至比星系際空間的最深處還要低。

你甚至不需要離開(kāi)銀河系！回飛棒星云就在銀河系當(dāng)中，距離我們只有5000光年。1980年，科學(xué)家在澳大利亞的賽丁泉天文臺(tái)首次觀測(cè)到這個(gè)星云，它看起來(lái)呈不對(duì)稱的雙葉狀，其彎曲處的弧度像是澳洲原住民使用的回力棒，也因此得名。更清晰的觀察結(jié)果向我們展示了這個(gè)星云的真實(shí)面目：這是一個(gè)前行星云，是一顆垂死的類(lèi)太陽(yáng)恒星生命的中間階段。

如果我們能看到微波光，夜晚的天空看起來(lái)就會(huì)像2.7K溫度下的綠色橢圓形，中部的“噪聲”來(lái)源于溫度更高的銀道面。這種具有黑體光譜的均勻輻射是大爆炸余輝，即宇宙微波背景的證據(jù)。

所有類(lèi)太陽(yáng)恒星都會(huì)演變成紅巨星，并在“行星狀星云/白矮星”的組合中結(jié)束它們的生命。在這個(gè)組合中，外層會(huì)被吹走，中心核心收縮成一個(gè)高溫、退化的狀態(tài)。但是在紅巨星和行星狀星云階段之間，還存在一個(gè)前行星云階段。

前行星云出現(xiàn)在恒星外層氣體殼被吹散之后，但在恒星內(nèi)部溫度升高之前。前行星云的型態(tài)有時(shí)是一個(gè)球體，但更常見(jiàn)的是雙極、多節(jié)的噴流形式，噴出物從恒星的局部附近，延伸到恒星系統(tǒng)之外，進(jìn)入星際介質(zhì)。

這個(gè)階段存在時(shí)間短暫，只持續(xù)幾千年。

目前只有十來(lái)顆恒星被發(fā)現(xiàn)處于這個(gè)階段。在它們當(dāng)中，回力棒星云是很特殊的一個(gè)。它排出的氣體比正常速度快10倍，移動(dòng)速度達(dá)到164公里/秒；它的質(zhì)量損失速度比正常情況下更快：每年損失的物質(zhì)大約相當(dāng)于海王星的兩倍。這一切導(dǎo)致回力棒星云成為已知宇宙中最冷的自然區(qū)域，該星云某些部分的溫度只有0.5K，極其接近絕對(duì)零度。當(dāng)溫度很低的時(shí)候，粒子物質(zhì)波的波長(zhǎng)很長(zhǎng)。1995年，天文學(xué)家使用位于智利的歐洲南方天文臺(tái)（ESO）次微米波望遠(yuǎn)鏡對(duì)回力棒星云進(jìn)行了觀測(cè)。

回力棒星云是一個(gè)年輕的、仍在形成中的行星狀星云，也是目前已知的宇宙中最冷的地方

其他的行星狀星云和前行星云都比回力棒星云熱得多，但其背后的物理原理其實(shí)是很容易理解的。你可以深吸一口氣，屏住三秒鐘。接著，你可以把手放在距離嘴巴15厘米的地方，進(jìn)行以下兩種嘗試：

（1）張開(kāi)嘴呼氣，你會(huì)感覺(jué)到溫暖的空氣輕輕吹在手掌上；

（2）噘起嘴唇，開(kāi)一個(gè)小口吹氣，你會(huì)感到吹到手上的空氣變冷了。

在這兩種情況下，你體內(nèi)的空氣都經(jīng)過(guò)了加熱，并且一直保持較高溫度，直到經(jīng)過(guò)你的嘴唇。當(dāng)你把嘴張大時(shí)，空氣會(huì)慢慢流出，溫暖你的手；但如果小口吹氣，空氣就會(huì)迅速膨脹——在物理學(xué)中稱為“絕熱膨脹”——并在這一過(guò)程中冷卻。

IRAS 2006+84051前行星云比回力棒星云溫度更高，但與回力棒星云一樣，它也代表了紅巨星和最終的行星狀星云/白矮星階段之間的中間階段。

形成回力棒星云的恒星外層擁有所有這些相同的條件：

（1）存在大量的熱物質(zhì)；

（2）熱物質(zhì)以難以置信的速度被噴射出去；

（3）從一個(gè)微小的點(diǎn)（或者更確切地說(shuō)，是兩個(gè)點(diǎn)）噴出；

（4）有足夠的空間來(lái)膨脹和冷卻。

這是一張回力棒星云的毫米波長(zhǎng)圖片，其中在淺白色的可見(jiàn)光視圖上覆蓋了射電數(shù)據(jù)。

這是回力棒星云及其周?chē)鷧^(qū)域的彩色溫度圖。藍(lán)色區(qū)域是膨脹最大，溫度也最低的區(qū)域。

因此，當(dāng)回力棒星云釋放出的物質(zhì)進(jìn)一步延伸到周?chē)慕橘|(zhì)當(dāng)中時(shí)，就會(huì)膨脹并冷卻。這些物質(zhì)的冷卻速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于周?chē)妮椛洌▉?lái)自其他恒星和宇宙微波背景的輻射，后者可以使其升溫。當(dāng)然，回力棒星云不會(huì)永遠(yuǎn)保持這樣的低溫，但就目前而言，它明顯低于宇宙中其他所有物質(zhì)的有效最低溫度——2.725K。

回力棒星云的驚人之處還在于，它所擁有的特征在被發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)有人預(yù)測(cè)到了。天文學(xué)家Raghvendra Sahai計(jì)算出，前行星云在條件合適的情況下（上面列出的條件），可以達(dá)到比宇宙中任何自然事物都要低的溫度。Sahai是1995年回力棒星云觀測(cè)團(tuán)隊(duì)的一員，他們進(jìn)行了關(guān)鍵的長(zhǎng)波長(zhǎng)觀測(cè)，確定了回飛棒星云的溫度，并發(fā)現(xiàn)了與預(yù)期精確吻合的結(jié)果：這是宇宙中溫度最低的自然區(qū)域。即使是2022年的今天，這一結(jié)果仍然成立。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的蛋星云。這是一個(gè)雙極的前行星云，其外層還沒(méi)有被中心收縮的恒星加熱到足夠的溫度。盡管在許多方面與回力棒星云相似，但它的溫度要高得多。

回力棒星云擁有宇宙中最冷自然溫度的原因是絕熱膨脹，即物質(zhì)被迅速被排到一個(gè)環(huán)境中時(shí)，會(huì)以一種相對(duì)不受抑制的方式膨脹。至于回力棒星云為什么會(huì)以如此快的速度，以及如此精確的方式噴射出所有這些物質(zhì)，目前還不得而知。這是一個(gè)富有爭(zhēng)議且高度活躍的研究領(lǐng)域。到目前為止，回力棒星云是我們捕捉到的唯一一個(gè)溫度低于大爆炸余輝的前行星云。但是，它絕不可能是唯一的例子。

宇宙的更深處可能還有比回力棒星云更冷的地方。我們要做的就是繼續(xù)尋找。也許有一天，太陽(yáng)系中心的恒星——太陽(yáng)——會(huì)打破這個(gè)記錄，它的殘留物質(zhì)也許會(huì)在很短的一段時(shí)間內(nèi)，降到宇宙中最低的溫度。（任天）