ما هو أبرد مكان في الكون؟

إذا خُيرت بزيارة أجمل مكان في العالم فأنت أمام خيارين: سديم في الفضاء أو مختبر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وأيًا كان خيارك، من الأفضل أن ترتدي سترتك، لأن هذه الأماكن شديدة البرودة حقًا.

سديم بوميرانغ، وهو مزيج من الغبار والغازات المتأينة السابحة في درجة حرارة مثيرة للدهشة تبلغ 458 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 272 درجة مئوية)، أو درجة مئوية فقط فوق الصفر المطلق، كما قيست بواسطة علماء الفلك باستخدام مصفوفة المليمترات الجزئية الكبيرة (ALMA) في أتاكاما، تشيلي عام 2013.

على بعد 5000 سنة ضوئية، يقع سديم كوكبي صغير في مركزه نجم يحتضر، وبمرور الوقت، تصبح النجوم في النهاية الأقل ضخامة من مقياس الكتلة -تقريبًا ثمانية أضعاف كتلة الشمس أو أقل- ما يسمى بالعمالقة الحمراء.

وإليك كيفية استمرار هذا النوع من العمر الافتراضي للنجم: عندما يحترق النجم من خلال إمداده بالهيدروجين في نواته، ودمجه في الهيليوم، يزداد لمعانه بالفعل. ذلك لأن النجم لا يستطيع توليد حرارة كافية لدعم وزنه، لذلك يبدأ الهيدروجين المتبقي في الانضغاط في طبقات خارج النواة. يولد هذا الضغط مزيدًا من الطاقة، لكن النتيجة هي أن النجم يزداد انتفاخًا مع توسع الغازات في طبقاته الخارجية. لذلك، على الرغم من أن النجم أكثر سطوعًا، إلا أن غازاته تبرد والنجم يبدو أكثر احمرارًا. العمالقة الحمراء كبيرة، فعندما تتحول الشمس إلى عملاق أحمر، فإن سطحها سوف يمتد إلى مدار الأرض الحالي.

في النهاية، يحترق العملاق تمامًا بواسطة الهيدروجين الخاص به. سيبدأ عمالقة حمراء أكثر ضخامة بعد ذلك في دمج الهيليوم في عناصر أثقل، لكن هذه العملية لها حدود أيضًا، وذلك عندما تنهار الطبقات المركزية للنجم. عند هذه النقطة، يتحول النجم إلى قزم أبيض، وهو أساسًا النواة المحترقة فائقة الكثافة للنجم. عندما يحدث الانهيار، تُترك الطبقات الخارجية للنجم وراءها، لأن العملاق الأحمر كبير جدًا لدرجة أن قدرته على الإمساك بطبقاته الخارجية ضعيفة. يضيء الضوء المنبعث من النجم القزم الأبيض الغاز، والنتيجة بالنسبة لأبناء الأرض هي سديم كوكبي رائع. (الاسم خاطئ، يرجع تاريخه إلى المشاهد الأولى في القرن الثامن عشر، لكنه ظل عالقًا في الأذهان).

يتمدد هذا الغاز بسرعة كبيرة، ويتحرك للخارج بسرعات تصل إلى حوالي 363.600 ميل في الساعة (585.000 كم/ساعة). وهذا هو السبب في أن السديم شديد البرودة – حتى أكثر برودة من إشعاع الخلفية الكوني المتبقي من الانفجار العظيم (والذي يبلغ سالب 454.7 درجة فهرنهايت، أو 2.76 كلفن).

مع تمدد الغازات، فإنها تصبح أكثر برودة. يحدث هذا لأن التمدد يتسبب في انخفاض الضغط، ويؤدي انخفاض الضغط بدوره إلى إبطاء جزيئات الغاز. (تُعد درجة الحرارة في الأساس مقياسًا لمدى سرعة تحرك الجزيئات، وكلما زادت سرعة الجزيئات، زادت سخونة الغاز).

يمكنك ملاحظة نفس الظاهرة عند استخدام علبة هواء لتنظيف الكمبيوتر: تصبح علبة الهواء أكثر برودة عند الرش، لأن الضغط على الغاز بداخلها يتناقص بسرعة. تُؤخذ بعض الطاقة اللازمة لتمدد الغاز من الطاقة الحرارية الموجودة في علبة الهواء الجوي. نظرًا لأن الغازات الموجودة في سديم بوميرانج قد ألقى بها النجم المركزي بهذه السرعة الكبيرة، فقد تلاشت الكثير من الطاقة الحرارية في غمضة عين.

يعتقد Raghvendra Sahai، من مختبر الدفع النفاث (JPL) التابع لناسا، في باسادينا، كاليفورنيا، أن سديم بوميرانغ أكثر برودة من السدم المتوسعة الأخرى لأنه يتخلص من كتلته حوالي 100 مرة أسرع من تلك النجوم المحتضرة، أو حوالي 100 مليار مرة أسرع من قذف الشمس لكتلتها.

سيسعد الطلاب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن يعرفوا أن مدرستهم -حتى الآن- هي الأفضل. في عام 2015، قام فريق من علماء الفيزياء بتبريد الذرات إلى أبرد درجة حرارة على الإطلاق: 500 نانوكلفن، أو 0.0000005 كلفن (ناقص 459.67 فهرنهايت أو ناقص 273.15 درجة مئوية). هذا أكثر برودة بكثير من سديم بوميرانغ، ولكن فقط لأن العلماء استخدموا الليزر لتبريد ذرات فردية من الصوديوم والبوتاسيوم.

لن تكون كامبريدج الأروع إلى الأبد، فقد واصل العديد من فرق العلماء العمل على جعل الغازات أكثر برودة. يمتلك مختبر الدفع النفاث مختبر الذرات الباردة، والذي أُطلق إلى محطة الفضاء الدولية في عام 2018 وأنتج بالفعل أبرد جسم معروف في الفضاء، ويمكن أن ينتج قريبًا أبرد جسم معروف في الكون.