大型毫米波射电望远镜阵列揭示宇宙最冷之处真相

回力棒星云是已知宇宙中温度最低的地方。经测量，这个星云的温度为1开氏度（即零下272.15摄氏度），比大爆炸的背景温度（零下270摄氏度）还低。天文学家利用阿塔卡玛大型毫米波天线阵（ALMA，一台由多个国家和地区合作建造的大型射电望远镜阵列）对这一星云进行了新的审视，了解了更多有关这一“宇宙最冷之处”的特征信息，并确定了它的真实形状。

回力棒星云被称为是“宇宙中最冷之处”，其真实形状于近日被阿塔卡玛大型毫米波天线阵（ALMA）所揭示。背景中的蓝色结构由哈勃太空望远镜以可见光模式拍摄，呈经典的双叶形结构，中心区域十分狭窄。ALMA所具有的高分辨率能观测到低温的气体分子，揭示出回力棒星云拉长的形状，在图中呈红色。

天文学家最初是用地面望远镜对回力棒星云进行观察，发现其呈现弯曲的，类似澳洲原住民使用的回力棒形状，这也是其名称的由来。之后，哈勃太空望远镜的观察显示，该星云呈现类似蝶形领结的形状。最新的ALMA数据显示，哈勃望远镜其实只给出了一部分信息，其观察到的双叶形结构可能实际上只是可见光波长下的一个“误会”。

研究负责人，来自美国航空航天局（NASA）喷气推进实验室的首席科学家拉夫温德拉·萨哈伊（Raghvendra Sahai）说：“这个超级寒冷的物体让我们非常感兴趣，通过ALMA，我们对它的本质有了更多的了解。”NASA的喷气推进实验室位于加州的帕萨迪纳。萨哈伊及其同事的研究成果发表在近期的《天体物理期刊》（Astrophysical Journal）上。“从地面的光学望远镜，我们看到的似乎是一个双叶形，或‘回力棒’形状的星云，但实际上这却是一个更加宽广，正快速扩展到太空中的结构。”萨哈伊说道。

回力棒星云距离地球大约5000光年，位于半人马座，是一个相对年轻的“行星状星云”。与其名字刚好相反的是，行星状星云其实是恒星（如太阳）生命末期时的形态，此时恒星的外层抛散，留下中心的白矮星，白矮星能发射出强烈的紫外辐射，导致星云中的气体发光并产生明亮的色彩。

目前，回力棒星云即将进入行星状星云阶段，届时其中心的恒星温度将不足以维持足够的紫外线辐射，因而也不能产生标志性的光亮。到了这一阶段，该星云只有通过其尘埃颗粒反射的恒星光线才能看到。

天文学家观察到，星云中心恒星所流出的气体正迅速扩散，并在扩散过程中冷却下来。这与冰箱通过气体膨胀来进行冷却的原理相似。研究者通过观察气体吸收宇宙微波背景辐射的过程，来确定星云中气体的温度。宇宙微波背景辐射的温度很均匀，为2.8开氏度（零下270.35摄氏度）。

“当天文学家在2003年通过哈勃望远镜观察这一星云时，他们看到的是一个非常经典的‘沙漏’形状，”萨哈伊评论道，“许多行星状星云具有类似的双叶形状，这是高速气体流从恒星中发射出来而形成的。这些气流会在周围的气体云中制造空洞，而气体云则是由较早时期，当恒星还是红巨星的时候喷射出来的。”

通过单碟毫米波射电望远镜的观察，天文学家并没有发现哈勃望远镜所看到的狭窄“腰部”结构。与之相反，他们发现了一个更加均匀，几乎呈球形的物质外流结构。ALMA具有无与伦比的分辨率，这使得研究者可以将这两种形状差异统一起来。

通过观察在毫米波长可发出明亮光线的一氧化碳分子，天文学家发现，哈勃望远镜图像上的双叶形结构只位于星云的内部区域。在更外层，他们发现了拉长的、近乎圆形的低温气体云。此外，研究者还发现了包围恒星的一道密集的毫米级尘埃颗粒，这解释了为什么在可见光下，外层的气体云具有类似沙漏的形状。这些尘埃颗粒形成了一个遮蔽物，减弱了中心恒星的一部分光线，使光线只能从狭窄而且相反的方向进入气体云，从而形成了类似沙漏的外形。

“这对理解恒星的死亡过程，以及它如何变成行星状星云有十分重要的意义，”萨哈伊说，“利用ALMA，我们可以一窥似太阳恒星垂死挣扎时的景象。”这项研究还表明，回力棒星云外圈的温度已经开始上升，尽管还是稍低于宇宙微波背景辐射。这种升温有可能是由于光电效应所致。光电效应最早是由爱因斯坦提出，指光子能被固体物质吸收，而后者重新发射出电子的现象。