Ein farbcodiertes Bild des Bumerang-Nebels, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop. Das von diesem Stern ausgestoßene Gas hat sich unglaublich schnell ausgedehnt, wodurch es adiabatisch abgekühlt ist. Es gibt Orte in ihm, die kälter sind als das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls. (NASA / HUBBLE / STSCI)

Der coolste Ort im Universum ist kälter als der leere intergalaktische Raum

Der Bumerang-Nebel in unserer Galaxie ist noch kälter als der vollständig leere Raum. So ist das möglich.

Stellen Sie sich den kältesten Ort vor, den Sie jemals finden können. In ihm bewegen sich die Teilchen, aus denen die Materie besteht, so langsam, wie Sie sich vorstellen können, und nähern sich der Quantengrenze dessen, was es bedeutet, wirklich in Ruhe zu sein. Es gibt keine größeren inneren Wärmequellen in der Nähe, die von diesen Partikeln absorbiert werden könnten. es wird keine nennenswerten äußeren Energiequellen geben, die sie von außen aufheizen.

Physikalisch bedeutet dies, dass Sie so weit wie möglich von allen Quellen bewegter Partikel und Strahlung entfernt sein müssen. Sie möchten so weit wie möglich von Sternen, Galaxien und sich zusammenziehenden Gaswolken entfernt sein. Sie möchten externe Photonenquellen aussortieren. Wenn Sie sich in die tiefsten Winkel des intergalaktischen Raums begeben, der vom Sternenlicht abgeschirmt ist, wäre das einzige, was Sie erhitzen würde, das übrig gebliebene Glühen des Urknalls: der kosmische Mikrowellenhintergrund bei 2,725 K. Und doch hat unsere eigene Galaxie einen Platz - die Bumerang-Nebel - das ist noch kälter.

Der dunkle Nebel Barnard 68, der heute als Molekülwolke Bok Globule bezeichnet wird, hat eine Temperatur von weniger als 20 K. Im Vergleich zu den Temperaturen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ist er jedoch immer noch recht warm. (ESO)

Überall im Universum gibt es Wärmequellen, mit denen man fertig werden muss. Je weiter Sie von allen entfernt sind, desto kälter wird es. In einer Entfernung von 150 Millionen Kilometern von der Sonne wird die Erde auf bescheidenen ~ 300 K gehalten, eine Temperatur, die ohne unsere Atmosphäre um fast 50 ° C kühler wäre. Bewegen Sie sich weiter nach außen, und die Sonne wird immer weniger in der Lage, Dinge aufzuheizen. Pluto zum Beispiel hat nur 44 K: kalt genug, dass flüssiger Stickstoff gefriert. Und wir können zu einem noch isolierteren Ort gehen, wie dem interstellaren Raum, wo die nächsten Sterne Lichtjahre entfernt sind.

Der Adlernebel, der für seine fortdauernde Sternentstehung berühmt ist, enthält eine große Anzahl von Bok-Kügelchen oder dunklen Nebeln, die noch nicht verdampft sind und daran arbeiten, zusammenzubrechen und neue Sterne zu bilden, bevor sie vollständig verschwinden. Während die äußere Umgebung dieser Kügelchen extrem heiß sein kann, kann das Innere vor Strahlung geschützt werden und tatsächlich sehr niedrige Temperaturen erreichen. (ESA / HUBBLE & NASA)

Die kalten Molekülwolken, die isoliert durch die Galaxie ziehen, sind noch kälter und liegen nur 10 K bis 20 K über dem absoluten Nullpunkt. Da Sterne, Supernovae, kosmische Strahlen, Sternwinde und mehr die gesamte Galaxie mit Energie versorgen, ist es schwer, viel kühler zu werden als in der Milchstraße. Nur im intergalaktischen Raum, Millionen von Lichtjahren von den nächsten Sternen entfernt, ist der kosmische Mikrowellenhintergrund die einzige Wärmequelle, die von Bedeutung ist.

Wenn wir Mikrowellenlicht sehen könnten, würde der Nachthimmel bei einer Temperatur von 2,7 K wie das grüne Oval aussehen, wobei das „Rauschen“ im Zentrum durch die heißeren Beiträge unserer galaktischen Ebene verursacht wird. Diese gleichmäßige Strahlung mit einem Schwarzkörperspektrum ist ein Beweis für das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls: der kosmische Mikrowellenhintergrund. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Bei weniger als 3 ° C über dem absoluten Nullpunkt sind diese kaum nachweisbaren Photonen die einzige Wärmequelle, die es gibt. Da jeder Ort im Universum ständig von diesen Infrarot-, Mikrowellen- und Radiophotonen bombardiert wird, könnte man meinen, dass 2,725 K die kälteste ist, die man jemals in der Natur bekommen kann. Um etwas Kälteres zu erleben, müsste man warten, bis sich das Universum weiter ausdehnt, die Wellenlängen dieser Photonen streckt und auf eine noch niedrigere Temperatur abkühlt.

Dies wird natürlich rechtzeitig geschehen. Mit der Zeit ist das Universum doppelt so alt wie heute - in weiteren 13,8 Milliarden Jahren - wird die Temperatur kaum noch einen Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen. Aber es gibt einen Ort, an dem Sie jetzt suchen können, der kälter ist als selbst die tiefsten Tiefen des intergalaktischen Raums.

Der Bumerang-Nebel ist ein junger, sich noch bildender planetarischer Nebel und auch das kälteste Objekt, das bisher im Universum gefunden wurde. (ESA / NASA)

Sie müssen nicht einmal irgendwohin gehen, wo es etwas Besonderes gibt! Dies ist der Bumerang-Nebel, der sich nur 5.000 Lichtjahre entfernt in unserer eigenen Galaxie befindet. Als es 1980 zum ersten Mal von Australien aus beobachtet wurde, sah es aus wie ein zweilappiger, asymmetrischer Nebel und erhielt daher den Namen „Boomerang“. Bessere Beobachtungen haben uns diesen Nebel als das gezeigt, was er wirklich ist: einen präplanetaren Nebel, der ein Zwischenstadium im Leben eines sterbenden, sonnenähnlichen Sterns darstellt.

Alle sonnenähnlichen Sterne werden sich zu roten Riesen entwickeln und ihr Leben in einer planetarischen Kombination aus Nebel und Weißem Zwerg beenden, in der die äußeren Schichten abgeblasen werden und der zentrale Kern sich zu einem heißen, degenerierten Zustand zusammenzieht. Aber zwischen der Phase des Roten Riesen und des Planetarischen Nebels befindet sich die Phase des Präplanetarischen Nebels.

Der präplanetarische Nebel IRAS 2006 + 84051 ist heißer als der Bumerang-Nebel, befindet sich aber immer noch in einer Zwischenphase zwischen einem roten Riesen und einem planetarischen Nebel / weißen Zwerg. (ESA / HUBBLE & NASA)

Bevor sich die Innentemperatur des Sterns erwärmt, aber nachdem die Ausscheidung der äußeren Schichten begonnen hat, erhalten wir einen präplanetaren Nebel. Manchmal in einer Kugel, aber häufiger in zwei bipolaren Jets, gelangen die Ejekta aus dem Sonnensystem des Sterns in das interstellare Medium. Diese Phase ist kurzlebig: nur wenige tausend Jahre. Es gibt nur etwa ein Dutzend Sterne, die sich in dieser Phase befinden. Aber der Bumerang-Nebel ist etwas Besonderes unter ihnen. Sein Gas wird ungefähr zehnmal schneller als normal ausgestoßen: es bewegt sich mit ungefähr 164 km / s. Es verliert seine Masse mit einer höheren Geschwindigkeit als normal: ungefähr zwei Neptun-Materialien pro Jahr. Infolgedessen ist es der kälteste natürliche Ort im bekannten Universum. Einige Teile des Nebels treten nur bei 0,5 K ein: ein halbes Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Eine Millimeterwellenlängen-Ansicht des Bumerang-Nebels mit überlagerten Funkdaten über einer blass sichtbaren Lichtansicht dieser Raumregion. (NRAO / AUI / NSF / NASA / STSCI / JPL-CALTECH)

Jeder andere planetarische und vorplanetarische Nebel ist viel, viel heißer als dieser, aber die zugrunde liegende Physik ist eine der am einfachsten zu verstehenden. Atme tief ein, halte es drei Sekunden lang und lass es dann raus. Sie können dies auf zwei verschiedene Arten tun, indem Sie Ihre Hand jeweils ca. 15 cm von Ihrem Mund entfernt halten.

  1. Atme mit weit geöffnetem Mund aus und du wirst fühlen, wie die warme Luft sanft auf deine Hand bläst.
  2. Atme mit zusammengekniffenen Lippen aus und mache eine winzige Öffnung. Dieselbe Luft fühlt sich kalt an.

In beiden Fällen wurde die Luft in Ihrem Körper erwärmt und bleibt auf dieser hohen Temperatur, bis sie an Ihren Lippen vorbeigeht. Mit weit geöffnetem Mund verlässt es einfach langsam und erwärmt Ihre Hand leicht. Aber mit nur einer winzigen Öffnung dehnt sich die Luft schnell aus - was wir in der Physik adiabatisch nennen - und kühlt sich dabei ab.

Wenn Sie mit offenem Mund kräftig ausatmen, wird die Luft extrem schnell abkühlen. Die kleine Öffnung bewirkt, dass sich die ausgestoßene Luft sehr schnell von einem anfänglich kleinen zu einem großen Volumen ausdehnt: ein Beispiel für eine adiabatische Ausdehnung. (PEZIBEAR VON PIXABAY)

Die äußeren Schichten des Sterns, aus dem der Bumerang-Nebel hervorgeht, haben alle die folgenden Bedingungen:

  • eine große Menge heißer Materie,
  • unglaublich schnell ausgeworfen werden,
  • von einem winzigen Punkt (nun, zwei Punkte),
  • Das hat den ganzen Raum, den man sich wünschen könnte, um sich zu erweitern und abzukühlen.
Der Ei-Nebel, wie er hier von Hubble abgebildet wird, ist ein präplanetarischer Nebel, da seine äußeren Schichten vom zentralen, kontrahierenden Stern noch nicht auf ausreichende Temperaturen erwärmt wurden. Obwohl es dem Bumerang-Nebel in vielerlei Hinsicht ähnlich ist, hat es eine viel höhere Temperatur. (NASA)

Das Erstaunliche am Bumerang-Nebel ist, dass er vorhergesagt wurde, bevor er gefunden wurde! Der Astronom Raghvendra Sahai errechnete, dass präplanetarische Nebel mit genau den richtigen Bedingungen - den oben beschriebenen - tatsächlich eine niedrigere Temperatur erreichen könnten als alles andere, was natürlich im Universum vorkommt. Sahai war 1995 Teil des Teams, das die kritischen Langwellen-Beobachtungen durchführte, die die Temperatur des Bumerang-Nebels bestimmten, der heute als kältester natürlicher Ort im Universum bekannt ist.

Eine farbcodierte Temperaturkarte des Bumerang-Nebels und seiner Umgebung. Die blauen Bereiche, die sich am stärksten ausgedehnt haben, sind die kühlsten und temperaturärmsten. (NASA / SPL)

Was den Grund angeht, warum der Bumerang-Nebel all diese Dinge so schnell und kollimiert ausstößt, ist dies ein umstrittenes und hochaktives Forschungsgebiet. Bisher ist der Bumerang-Nebel der einzige präplanetarische Nebel, dessen Temperatur unter die Temperatur des Nachglühens des Urknalls gefallen ist, aber es gibt keine Möglichkeit, dass es der einzige ist, der jemals war. Es gibt wahrscheinlich einen noch kälteren Ort da draußen. Wir müssen nur weiter suchen. Und wer weiß? Vielleicht wird der Stern im Zentrum unseres Sonnensystems - die Sonne - eines Tages die Aufzeichnung für sich behalten.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.