天文詞典

初入九月，部分地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始逐漸變涼。地球上的溫度變化萬(wàn)千，宇宙中不同天體的溫度又如何?

就人們的直觀感受而言，溫度就是物體的冷熱程度。從微觀層面看，物質(zhì)都是由分子或原子組成，這些分子永不停息地做著無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)。雖然我們看不見(jiàn)分子的運(yùn)動(dòng)，但用手觸摸時(shí)能感受到物體的冷熱，其實(shí)就是分子熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的體現(xiàn)——分子平均熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能大的溫度就高，反之溫度就低。

日常生活中，人們發(fā)明了各式各樣的溫度計(jì)來(lái)測(cè)量溫度。而對(duì)遙遠(yuǎn)的宇宙天體，我們?cè)趺粗浪臏囟饶?

不同顏色代表不同溫度

不同波長(zhǎng)的光呈現(xiàn)出不同的顏色，藍(lán)光的波長(zhǎng)較短，紅光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)。早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，《考工記》就記載著“黃白之氣竭，青白次之;青白之氣竭，青氣次之，然后可鑄也”，即隨著溫度的升高，火焰會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色，到“爐火純青”的時(shí)候溫度最高。

恒星的發(fā)光機(jī)制和爐火不同，但顏色與溫度之間也存在著相關(guān)性。溫度越低的恒星，顏色越偏紅，例如紅矮星表面只有兩三千攝氏度，比鄰星就是如此;溫度越高的恒星，顏色越偏藍(lán)，例如藍(lán)超巨星的表面可達(dá)數(shù)萬(wàn)攝氏度。

通過(guò)光譜測(cè)量，天文學(xué)家能夠知道恒星在不同波長(zhǎng)上輻射的光線強(qiáng)度，并且按波長(zhǎng)畫(huà)出輻射強(qiáng)度的分布曲線。一般來(lái)說(shuō)，曲線的峰值波長(zhǎng)(也就是輻射強(qiáng)度最大處的波長(zhǎng))決定了恒星的顏色。例如，太陽(yáng)輻射的波峰在555納米，為黃色。不同溫度的恒星具有不同的峰值波長(zhǎng)和分布曲線，從熱輻射規(guī)律就能推算出它的表面溫度，我們稱之為有效溫度。天體中還存在非熱輻射過(guò)程，例如星系團(tuán)內(nèi)熱氣體的熱韌致輻射，它們的溫度可以用其他方法獲得。

恒星中心的溫度要比表面高得多，是宇宙中最熱的地方之一。我們地球內(nèi)部的溫度大約為6200開(kāi)爾文(以下簡(jiǎn)稱開(kāi))，比太陽(yáng)表面溫度(5800開(kāi))略高一點(diǎn)，但是太陽(yáng)內(nèi)部的溫度高達(dá)1500萬(wàn)開(kāi)。質(zhì)量最大、燃燒最快的恒星，核心溫度可達(dá)2億開(kāi)以上?？膳c之相比的，是星系團(tuán)中在各個(gè)星系之間彌漫著的熱氣體。它們往往具有幾千萬(wàn)甚至上億開(kāi)的高溫，產(chǎn)生如此高溫的原因可能是被星系中心超大質(zhì)量黑洞的噴流和星系風(fēng)等加熱。

除此之外，當(dāng)天體爆發(fā)和碰撞時(shí)，也可以達(dá)到更高的瞬時(shí)溫度。例如大質(zhì)量恒星死亡時(shí)爆發(fā)成為超新星，中心和膨脹殼層的溫度可達(dá)到數(shù)百億開(kāi)。中子星碰撞的瞬間，外層溫度更可高至幾千億開(kāi)!宇宙中最重的元素，例如金、鍶、鈾等，就是在這些極高溫過(guò)程中產(chǎn)生的。

人類(lèi)創(chuàng)造的最高溫度，是2012年歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)撞出的5萬(wàn)億開(kāi)超高溫。雖然只有一瞬間，但已經(jīng)非常驚人了。今年4月，我國(guó)的“人造太陽(yáng)”——“東方超環(huán)”首次實(shí)現(xiàn)1億攝氏度運(yùn)行近10秒。

地球5000光年外溫度接近絕對(duì)零度

宇宙中的溫度最高能達(dá)到多少呢?按照現(xiàn)有理論，宇宙中的最高溫度被稱為普朗克溫度：超過(guò)1032開(kāi)，即1億億億億開(kāi)。它是最重的微觀粒子以光速運(yùn)動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的溫度，是正常物理過(guò)程不可能達(dá)到的溫度上限，或許只存在于宇宙大爆炸的那一瞬間。

理論上最低的溫度是絕對(duì)零度，也就是0開(kāi)爾文，即零下273.15攝氏度。當(dāng)分子的熱運(yùn)動(dòng)不斷減弱時(shí)，物體溫度就會(huì)不斷降低，分子完全靜止不動(dòng)時(shí)，溫度就達(dá)到了最低，被稱為絕對(duì)零度。不過(guò)根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理，分子的運(yùn)動(dòng)不可能完全靜止下來(lái)，所以絕對(duì)零度實(shí)際上是不可能實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)驗(yàn)室里，物理學(xué)家通過(guò)激光冷卻和磁冷卻手段，可以將稀薄的原子氣體冷卻到絕對(duì)零度以上約十億分之一開(kāi)。2018年國(guó)際空間站上的冷原子實(shí)驗(yàn)室甚至將冷原子降溫到了百億分之一開(kāi)!此時(shí)原子移動(dòng)非常緩慢，可以用來(lái)研究超冷原子的特異量子特性。

宇宙中已知的最低溫地區(qū)，是距離我們5000光年的半人馬座旋鏢星云(Boomerang nebula)中心附近，那里的溫度僅為1開(kāi)左右。這可能是因?yàn)槠浯嬖谝活w伴星，使得它外層物質(zhì)的拋射速度達(dá)到了正常值的10倍，將溫度降至極值。當(dāng)然這一低溫只是暫時(shí)的，它最終將升至和宇宙微波背景輻射等溫。

有很多文章都提到，太空中每立方厘米最多只有幾個(gè)粒子，基本上就是真空，在這里溫度這一概念也就失去了意義。那么假如我們把一個(gè)理想的溫度計(jì)放入太空，讀數(shù)會(huì)是多少呢?沒(méi)人做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，所以還沒(méi)有確切答案。不過(guò)我們可以根據(jù)已知的事實(shí)和規(guī)律做個(gè)推斷。

在恒星之間廣袤的星際空間里，遍布著稀薄的星際氣體和塵埃。它們的數(shù)密度極低，像地球體積這么大的范圍內(nèi)，所有的星際介質(zhì)攏在一起還不如一個(gè)骰子大。所以幾乎不會(huì)有星際介質(zhì)微粒和溫度計(jì)發(fā)生碰撞并傳遞能量，溫度計(jì)永遠(yuǎn)也測(cè)不出這些粒子的溫度。但是溫度計(jì)自身也是由大量微觀粒子組成的，也會(huì)輻射電磁波并損失熱量。它的溫度會(huì)慢慢降低，直到最后和宇宙微波背景輻射達(dá)到平衡，定格在2.73開(kāi)。宇宙微波背景，是宇宙大爆炸早期誕生的高能光子，隨著宇宙的膨脹和冷卻，這些光子現(xiàn)在已經(jīng)被拉長(zhǎng)到了微波波段(波長(zhǎng)在0.3—75厘米之間)，成為遍布整個(gè)宇宙的“背景輻射”。和測(cè)量恒星的表面溫度類(lèi)似，人們測(cè)出了背景輻射的光譜分布曲線，求得它的溫度為2.73開(kāi)。

宇宙微波背景輻射無(wú)處不在，在遠(yuǎn)離恒星等熱源的宇宙空間中，它的溫度可以視作空間本身的溫度?？臻g中的其他粒子，例如星系團(tuán)內(nèi)的熱氣體等，可以具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，以溫度衡量其能量的話，可以高達(dá)上億開(kāi)?？梢?jiàn)同一片空間中，極低溫與極高溫是同時(shí)共存的，可謂名副其實(shí)的“冰火兩重天”。當(dāng)然我們需要從微觀粒子能量的角度來(lái)看待這里所謂的溫度，也不會(huì)像觸摸宏觀物體一樣感受到它們的冷和熱。如果把一個(gè)小鐵塊放到這樣的空間中，它并不會(huì)被融化乃至氣化。實(shí)際上基本沒(méi)有粒子會(huì)撞上鐵塊，它只會(huì)緩慢地通過(guò)熱輻射降溫至2.73開(kāi)，那些稀薄的高溫氣體對(duì)它毫無(wú)影響。

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