Qual è il posto più freddo dell’Universo?

Immagina il posto più freddo che puoi. Al suo interno, le particelle che compongono la materia si muovono più lentamente che puoi immaginare, avvicinandosi al limite quantico di ciò che significa essere veramente a riposo. Non ci saranno grandi fonti di calore interne nelle vicinanze che le particelle all’interno possano assorbire; non ci saranno significative fonti di energia esterne che li riscaldano dall’esterno.

Fisicamente, ciò significa che devi essere il più lontano possibile da tutte le fonti di particelle in movimento e radiazioni. Vorresti essere alla massima distanza possibile da stelle, galassie e nubi di gas in contrazione. Vorresti escludere qualsiasi fonte esterna di fotoni. Se ti dirigessi verso i più profondi recessi dello spazio intergalattico, al riparo dalla luce delle stelle, l’unica cosa che ti scalderebbe sarebbe il bagliore residuo del Big Bang: il fondo cosmico a microonde a 2.725 K. Eppure, la nostra galassia ha un posto: il Nebulosa Boomerang – è ancora più fredda di così.

Viste visibili (a sinistra) e a infrarossi (a destra) del globulo Bok ricco di polvere, Barnard 68. Ha una temperatura inferiore a 20 K, motivo per cui rimane invisibile sia nel visibile che nel vicino infrarosso, ma è ancora abbastanza caldo se confrontato con le temperature del fondo cosmico a microonde.

(Credito: ESO)

Ovunque tu vada nell’Universo, ci sono fonti di calore con cui fare i conti. Più sei lontano da tutti loro, più fa freddo. A una distanza di 93 milioni di miglia dal Sole, la Terra è mantenuta a un modesto ~ 300 K, una temperatura che sarebbe quasi 50° più fredda se non fosse per la nostra atmosfera.

Spostati più lontano e il Sole diventa progressivamente sempre meno in grado di riscaldare le cose. Plutone, ad esempio, è solo 44 K: abbastanza freddo da congelare l’azoto liquido.

E possiamo andare in un luogo ancora più isolato, come lo spazio interstellare, dove le stelle più vicine sono lontane anni luce, e trovare luoghi nell’Universo, anche nel nostro cortile relativamente vicino, che sono sostanzialmente più freddi.

La Nebulosa Aquila, famosa per la sua formazione stellare in corso, contiene un gran numero di globuli Bok, o nebulose oscure, che non sono ancora evaporati e stanno lavorando per collassare e formare nuove stelle prima che scompaiano del tutto. Mentre l’ambiente esterno di questi globuli può essere estremamente caldo, gli interni possono essere schermati dalle radiazioni e raggiungere temperature davvero molto basse.

(Credito: ESA / Hubble e NASA)

Ci sono fredde nubi molecolari che vagano, isolate, per tutta la galassia. In termini di temperatura, sono persino più freddi dei mondi più lontani che possiamo trovare nel nostro Sistema Solare: solo da 10 K a 20 K sopra lo zero assoluto.

Poiché le stelle, le supernove, i raggi cosmici, i venti stellari e altro ancora forniscono energia alla galassia nel suo insieme, è difficile diventare molto più fredde di quelle all’interno della Via Lattea. Solo nello spazio intergalattico, a milioni di anni luce dalle stelle più vicine, lo sfondo cosmico a microonde sarà l’unica fonte di calore che conta. Dopotutto, il Big Bang si è verificato ovunque nello spazio tutto in una volta, e la radiazione rimasta da esso viaggia semplicemente, in modo omnidirezionale, alla velocità della luce. Man mano che l’Universo si espande, quella radiazione si raffredda, ma possiamo ancora vederla oggi, poiché arriva ai nostri occhi dopo un viaggio di circa 13,8 miliardi di anni attraverso il tempo e lo spazio.

Se potessimo vedere la luce delle microonde, il cielo notturno sembrerebbe l’ovale verde a una temperatura di 2,7 K, con il “rumore” al centro fornito da contributi più caldi dal nostro piano galattico. Questa radiazione uniforme, con uno spettro di corpo nero, è la prova del bagliore residuo del Big Bang: il fondo cosmico a microonde.

(Credito: NASA / WMAP Science Team)

A meno di 3 ºC (5 ºF) sopra lo zero assoluto, questi fotoni appena rilevabili sono l’unica fonte di calore in giro. Poiché ogni luogo dell’Universo è costantemente bombardato da questi fotoni infrarossi, microonde e radio, potresti pensare che 2.725 K sia il più freddo che puoi mai trovare in natura. Per sperimentare qualcosa di più freddo, dovresti aspettare che l’Universo si espanda di più, allunghi le lunghezze d’onda di questi fotoni e si raffreddi a una temperatura ancora più bassa.

Questo accadrà, ovviamente, nel tempo. Quando l’Universo avrà il doppio dell’età di oggi – in altri 13,8 miliardi di anni – la temperatura sarà appena un grado sopra lo zero assoluto. Ma c’è un posto in cui puoi guardare, in questo momento, che è più freddo persino delle profondità più profonde dello spazio intergalattico.

posto più freddo dell'Universo

La Nebulosa Boomerang è una giovane nebulosa planetaria in formazione ancora, e anche il luogo più freddo conosciuto nell’Universo finora.

(Credito: ESA / NASA)

Non hai nemmeno bisogno di andare in un posto speciale! Questa è la Nebulosa Boomerang, situata a soli 5.000 anni luce di distanza nella nostra galassia. Nel 1980, quando fu osservato per la prima volta dall’Australia, sembrava una nebulosa asimmetrica a due lobi, e di conseguenza le fu dato il nome di “Boomerang”. Migliori osservazioni ci hanno mostrato questa nebulosa per quello che è veramente: una nebulosa preplanetaria, che è uno stadio intermedio nella vita di una stella morente, simile al Sole.

Tutte le stelle simili al Sole si evolveranno in giganti rosse e termineranno la loro vita in una combinazione di nebulosa planetaria / nana bianca, dove gli strati esterni vengono spazzati via e il nucleo centrale si contrae fino a uno stato caldo e degenerato. Ma tra le fasi della gigante rossa e della nebulosa planetaria, c’è la fase della nebulosa preplanetaria.

La nebulosa preplanetaria IRAS 2006 + 84051 è più calda della Nebulosa Boomerang, ma, come la Nebulosa Boomerang, rappresenta una fase intermedia tra una gigante rossa e l’eventuale stadio di nebulosa planetaria/nana bianca.

(Credito: ESA / Hubble e NASA)

Prima che la temperatura interna della stella si scaldi, ma dopo che inizia l’espulsione degli strati esterni, otteniamo una nebulosa preplanetaria. A volte in una sfera, ma più spesso in due, getti bipolari, gli ejecta escono dalle vicinanze locali della stella, estendendosi oltre il sistema stellare stesso e bene nel mezzo interstellare.

Questa fase è di breve durata: dura solo poche migliaia di anni.

Ci sono solo una dozzina di stelle che si trovano in questa fase. Ma la Nebulosa Boomerang è speciale tra loro. Il suo gas viene espulso circa dieci volte più velocemente del normale: si muove a circa 164 km/s. Perde la sua massa a una velocità superiore al normale: circa due Nettuno di materiale ogni anno. E come risultato di tutto ciò, è il luogo naturale più freddo dell’Universo conosciuto, con alcune porzioni della nebulosa che arrivano a soli 0,5 K: mezzo grado sopra lo zero assoluto, che può essere misurato con una luce a lunghezza d’onda molto lunga.

posto più freddo dell'Universo

Una vista a lunghezza d’onda millimetrica della Nebulosa Boomerang, con dati radio sovrapposti su una pallida luce visibile di questa regione dello spazio.

(Credito: NRAO / AUI / NSF / NASA / STScI / JPL-Caltech)

Ogni altra nebulosa planetaria e preplanetaria è molto, molto più calda di questa, ma la fisica alla base del perché è una delle più semplici da capire. Inspira profondamente, trattienilo per tre secondi e poi espira. Puoi farlo in due modi diversi, tenendo la mano a circa 6) (15 cm) dalla bocca entrambe le volte.

  1. Espira con la bocca spalancata e sentirai l’aria calda soffiare delicatamente sulla tua mano.
  2. Espira con le labbra increspate, facendo una piccola apertura, e quella stessa aria si sente fredda.

In entrambi i casi, l’aria nel tuo corpo è stata riscaldata e rimane a quella temperatura elevata fino a poco prima che passi dalle tue labbra. Con la bocca spalancata, esce semplicemente lentamente, scaldando leggermente la mano. Ma con solo una piccola apertura, l’aria si espande rapidamente – ciò che chiamiamo adiabaticamente in fisica – e si raffredda mentre lo fa.

Espirando con forza con la bocca aperta molto, molto leggermente, l’aria si raffredderà molto rapidamente. La piccola apertura fa sì che l’aria espulsa si espanda dall’occupare un volume inizialmente piccolo ad uno grande molto rapidamente: un esempio di espansione adiabatica.

09:30 Credito: Pezibear / Pixabay

Gli strati esterni della stella che sta dando vita alla Nebulosa Boomerang possiedono tutte queste stesse condizioni:

  • una grande quantità di materia calda,
  • essendo espulso incredibilmente rapidamente,
  • da un punto minuscolo (o, più tecnicamente, due punti),
  • che ha tutto lo spazio che potrebbe richiedere per espandersi e rinfrescarsi.

Di conseguenza, poiché la materia emessa dalla Nebulosa Boomerang si estende più lontano nel mezzo che la circonda, si espande e si raffredda e si raffredda molto più rapidamente di quanto la radiazione circostante, comprese le altre stelle e il fondo cosmico a microonde, possa riscaldarla. Non rimarrà a queste basse temperature per sempre, ma per ora è significativamente più freddo dei 2.725 K che fissano la temperatura minima effettiva per tutto il resto dell’Universo.

nebulosa planetaria

La Nebulosa Uovo, come fotografata qui da Hubble, è una nebulosa preplanetaria, poiché i suoi strati esterni non sono stati ancora riscaldati a temperature sufficienti dalla stella centrale in contrazione. Sebbene simile in molti modi alla Nebulosa Boomerang, si trova a una temperatura molto più alta.

(Credito: NASA e Hubble Heritage Team (STScI / AURA), Hubble Space Telescope / ACS)

La cosa sorprendente della Nebulosa Boomerang è che le stesse proprietà che possiede sono state previste prima di essere scoperta!

L’astronomo Raghvendra Sahai ha calcolato che le nebulose preplanetarie con le giuste condizioni – quelle descritte sopra – potrebbero effettivamente raggiungere una temperatura più fresca di qualsiasi altra cosa che si verifica naturalmente nell’Universo. Sahai ha poi fatto parte del team nel 1995 che ha effettuato le osservazioni critiche a lunghezza d’onda che hanno determinato la temperatura della nebulosa Boomerang e hanno trovato esattamente ciò che era stato previsto: temperature inferiori a qualsiasi altro fenomeno naturale.

Ad oggi, nel 2022, la Nebulosa Boomerang è ancora il luogo naturale più freddo dell’Universo.

posto più freddo dell'Universo

Una mappa della temperatura codificata a colori della Nebulosa Boomerang e delle aree circostanti. Le zone blu, che si sono espanse di più, sono le più fresche e con la temperatura più bassa.

(Credito: telescopio ESO / NTT; R. Sahai (JPL) / L. Nyman (ESO))

Non c’è dubbio che al momento, di tutti i luoghi che abbiamo mai misurato, la Nebulosa Boomerang possiede le temperature naturali più fredde di tutto l’Universo. La causa è l’espansione adiabatica, causata dalla rapida espulsione della materia in un ambiente dove può espandersi in modo relativamente disinibito.

Per quanto riguarda il motivo per cui la Nebulosa Boomerang sta espellendo tutta questa materia così rapidamente e in modo così collimato, tuttavia, questa è un’area di ricerca controversa e molto attiva. Finora, la Nebulosa Boomerang è l’unica nebulosa preplanetaria che abbiamo catturato in una fase in cui la sua temperatura è scesa al di sotto di quella del bagliore residuo del Big Bang. Tuttavia, non è possibile che sia l’unico esempio del genere che si sia mai verificato.

Probabilmente c’è un posto ancora più freddo là fuori di quello che abbiamo scoperto finora. Dobbiamo semplicemente continuare a cercare. E chi lo sa? Forse, un giorno, la stella al centro del nostro Sistema Solare – il Sole – interromperà quel record stesso, e i resti del nostro Sistema Solare forse diventeranno, per un breve periodo, il luogo più freddo in assoluto dell’Universo!

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