哈勃太空望遠鏡拍攝的回力棒星云彩色編碼圖像。從恒星中噴射出來的氣體以極快的速度膨脹，導致該星云絕熱冷卻。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是什么樣子？在那里，組成物質的粒子以超乎想象的慢速運動，接近于真正靜止的量子極限。那里也沒有重要的內部熱源，來吸收這些粒子，更沒有重要的外部熱源對它們進行加熱。

從物理學的角度，這個地方應該盡可能遠離所有移動的粒子和輻射源；盡可能遠離恒星、星系和正在收縮的氣體云，同時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。左圖為可見光圖像，右圖為紅外圖像。該星云的溫度低于20k，導致其在可見光和近紅外光下都不可見，但與宇宙微波背景的溫度相比，它仍然相當溫暖。

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

向太陽系的邊緣移動，物體接收到的太陽輻射就越少，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。

我們還可以更進一步，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。寒冷的分子云孤獨地漫游在整個星系中。就溫度而言，它們甚至比我們在太陽系中所能找到的最遙遠的星球還要冷：僅比絕對零度高10K到20K。

由于恒星、超新星、宇宙射線、恒星風等都在為整個星系提供能量，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百萬光年的星系際空間，宇宙微波背景才會成為唯一重要的熱源。畢竟，宇宙大爆炸是在空間各處同時發生的，其留下的輻射以光速傳播，在各個方向幾乎一模一樣。隨著宇宙的膨脹，輻射逐漸冷卻下來，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，經過138億年的時間和空間旅行，終于被我們探測到。

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，處于坍塌過程中，在完全消失之前會形成新的恒星。盡管這些球狀體的外部環境可能非常熱，但其內部可以免受輻射的影響，溫度能夠達到非常低的水平。

在絕對零度以上不到3℃的地方，這些幾乎無法探測到的光子是周圍唯一的熱源。由于宇宙中的每一個地方都不斷受到紅外、微波和無線電光子的轟擊，你可能會認為2.725K是自然界中最冷的溫度。想要有更冷的體驗，你必須等待宇宙進一步膨脹，拉伸這些光子的波長，并冷卻到更低的溫度。

當然，這是遲早會發生的事情。當宇宙的年齡是現在的兩倍，即再過138億年時，星系際空間的溫度將僅比絕對零度高1K。然而，我們現在就可以找到這樣一個地方，其溫度甚至比星系際空間的最深處還要低。

你甚至不需要離開銀河系！回飛棒星云就在銀河系當中，距離我們只有5000光年。1980年，科學家在澳大利亞的賽丁泉天文臺首次觀測到這個星云，它看起來呈不對稱的雙葉狀，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。更清晰的觀察結果向我們展示了這個星云的真實面目：這是一個前行星云，是一顆垂死的類太陽恒星生命的中間階段。

如果我們能看到微波光，夜晚的天空看起來就會像2.7K溫度下的綠色橢圓形，中部的“噪聲”來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。

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

前行星云出現在恒星外層氣體殼被吹散之后，但在恒星內部溫度升高之前。前行星云的型態有時是一個球體，但更常見的是雙極、多節的噴流形式，噴出物從恒星的局部附近，延伸到恒星系統之外，進入星際介質。

這個階段存在時間短暫，只持續幾千年。

目前只有十來顆恒星被發現處于這個階段。在它們當中，回力棒星云是很特殊的一個。它排出的氣體比正常速度快10倍，移動速度達到164公里/秒；它的質量損失速度比正常情況下更快：每年損失的物質大約相當于海王星的兩倍。這一切導致回力棒星云成為已知宇宙中最冷的自然區域，該星云某些部分的溫度只有0.5K，極其接近絕對零度。當溫度很低的時候，粒子物質波的波長很長。1995年，天文學家使用位于智利的歐洲南方天文臺（ESO）次微米波望遠鏡對回力棒星云進行了觀測。

回力棒星云是一個年輕的、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，進行以下兩種嘗試：

（1）張開嘴呼氣，你會感覺到溫暖的空氣輕輕吹在手掌上；

（2）噘起嘴唇，開一個小口吹氣，你會感到吹到手上的空氣變冷了。

在這兩種情況下，你體內的空氣都經過了加熱，并且一直保持較高溫度，直到經過你的嘴唇。當你把嘴張大時，空氣會慢慢流出，溫暖你的手；但如果小口吹氣，空氣就會迅速膨脹——在物理學中稱為“絕熱膨脹”——并在這一過程中冷卻。

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；

（2）熱物質以難以置信的速度被噴射出去；

（3）從一個微小的點（或者更確切地說，是兩個點）噴出；

（4）有足夠的空間來膨脹和冷卻。

這是一張回力棒星云的毫米波長圖片，其中在淺白色的可見光視圖上覆蓋了射電數據。

這是回力棒星云及其周圍區域的彩色溫度圖。藍色區域是膨脹最大，溫度也最低的區域。

因此，當回力棒星云釋放出的物質進一步延伸到周圍的介質當中時，就會膨脹并冷卻。這些物質的冷卻速度遠遠快于周圍的輻射，包括來自其他恒星和宇宙微波背景的輻射，后者可以使其升溫。當然，回力棒星云不會永遠保持這樣的低溫，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現之前就已經有人預測到了。天文學家Raghvendra Sahai計算出，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年回力棒星云觀測團隊的一員，他們進行了關鍵的長波長觀測，確定了回飛棒星云的溫度，并發現了與預期精確吻合的結果：這是宇宙中溫度最低的自然區域。即使是2022年的今天，這一結果仍然成立。

哈勃太空望遠鏡拍攝的蛋星云。這是一個雙極的前行星云，其外層還沒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，即物質被迅速被排到一個環境中時，會以一種相對不受抑制的方式膨脹。至于回力棒星云為什么會以如此快的速度，以及如此精確的方式噴射出所有這些物質，目前還不得而知。這是一個富有爭議且高度活躍的研究領域。到目前為止，回力棒星云是我們捕捉到的唯一一個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尋找。也許有一天，太陽系中心的恒星——太陽——會打破這個記錄，它的殘留物質也許會在很短的一段時間內，降到宇宙中最低的溫度。（任天）