Самая низкая температура на Земле и во Вселенной


Вещество нашей Вселенной структурно организовано и образует большое многообразие феноменов различного масштаба с весьма сильно разнящимися физическими свойствами. Одно из важнейших таких свойств – температура. Зная этот показатель и используя теоретические модели, можно судить о многих характеристиках того или иного тела – о его состоянии, строении, возрасте.

Разброс значений температуры у различных наблюдаемых компонентов Вселенной весьма велик. Так, самая низкая величина ее в природе зафиксирована для туманности Бумеранг и составляет всего 1 K. А каковы самые высокие температуры во Вселенной, известные на сегодняшний день, и о каких особенностях различных объектов свидетельствуют? Для начала посмотрим, как же ученые определяют температуру удаленных космических тел.

Спектры и температура

Всю информацию о далеких звездах, туманностях, галактиках ученые получают, исследуя их излучение. По тому, на какой частотный диапазон спектра приходится максимум излучения, определяется температура как показатель средней кинетической энергии, которой обладают частицы тела, – ведь частота излучения связана прямой зависимостью с энергией. Так что самая высокая температура во Вселенной должна отражать, соответственно, и наибольшую энергию.

Чем более высокими частотами характеризуется максимум интенсивности излучения, тем горячее исследуемое тело. Однако полный спектр излучения распределен по очень широкому диапазону, и по особенностям видимой его области («цвету») можно делать определенные общие выводы о температуре, например, звезды. Окончательная же оценка производится на основе изучения всего спектра с учетом полос эмиссии и поглощения.

Классификация звезд

Спектральные классы звезд

На основе спектральных особенностей, включая цвет, была разработана так называемая Гарвардская классификация звезд. Она включает семь основных классов, обозначаемых буквами O, B, A, F, G, K, M и несколько дополнительных. Гарвардская классификация отражает поверхностную температуру звезд. Солнце, фотосфера которого разогрета до 5780 K, относится к классу желтых звезд G2. Наиболее горячи голубые звезды класса O, самые холодные – красные – принадлежат классу M.

Гарвардскую классификацию дополняет Йеркская, или классификация Моргана-Кинана-Келлман (МКК – по фамилиям разработчиков), подразделяющая звезды на восемь классов светимости от 0 до VII, тесно связанных с массой светила – от гипергигантов до белых карликов. Наше Солнце – карлик класса V.

Примененные совместно, в качестве осей, по которым отложены значения цвет – температура и абсолютная величина – светимость (свидетельствующая о массе), они дали возможность построить график, широко известный как диаграмма Герцшпрунга-Рассела, на котором отражены главные характеристики звезд в их взаимосвязи.

Диаграмма Герцшпрунга - Рассела

Рекорды холода на других континентах

В Северной Америке самым холодным местом считается исследовательская станция Нортайс. Показатель в -66 С был зафиксирован в 1954 г. Станция располагается на вершине в 2345 м. над Гренландским ледяным щитом.

Южная Америка – теплый континент. Рекорд в -39 С установлен в Аргентине, в точке под названием Валье-де-лос-Патос-Супериор, которая возвышается на 2880 над уровнем моря.

Австралийская Вершина Шарлотт Пасс находится на 1755 метров выше уровня моря. Температура там для привыкших к теплу австралийцев весьма холодная. Абсолютный рекорд составляет -23 С.

Самые горячие звезды

Из диаграммы явствует, что наиболее горячими являются голубые гиганты, сверхгиганты и гипергиганты. Это чрезвычайно массивные, яркие и короткоживущие звезды. Термоядерные реакции в их недрах протекают очень интенсивно, порождая чудовищную светимость и высочайшие температуры. Такие звезды относятся к классам B и O либо к особому классу W (отличается широкими эмиссионными линиями в спектре).

Например, Эта Большой Медведицы (находится на «конце ручки» ковша) при массе, в 6 раз превышающей солнечную, светит в 700 раз мощнее и имеет поверхностную температуру около 22 000 K. У Дзеты Ориона – звезды Альнитак, – которая массивнее Солнца в 28 раз, внешние слои нагреты до 33 500 K. А температура гипергиганта с наивысшей известной массой и светимостью (как минимум в 8,7 миллионов раз мощнее нашего Солнца) – R136a1 в Большом Магеллановом облаке – оценена в 53 000 K.

Однако фотосферы звезд, как бы сильно разогреты они ни были, не дадут нам представления о самой высокой температуре во Вселенной. В поисках более жарких областей нужно заглянуть в недра звезд.

Голубые гиганты в Плеядах

Самые холодные места на планете

Говоря о местах где очень холодно, стоит упомянуть о полюсах. Полюсами холода принято называть территории с наиболее холодным климатом. На Земле обнаружено три места с очень низкой температурой. Два из них располагаются в России.

Холодные места Земли малодоступны для человека. Их исследуют с помощью спутников, строя метеорологические станции. Так, благодаря спутнику Landsat 8 обнаружен регион в Антарктиде, где температура бывает очень низкой.

Ледяная земля

Антарктида – континент с холодным климатом. Неудивительно, что самая минимальная температура на Земле отмечена именно здесь. В 1983 году станция «Восток», находившаяся в восточной части континента, зафиксировала показатель в – 89,2 С. Данные станции были признаны официальным рекордом за всю историю инструментальных наблюдений. С тех пор эта местность обозначается как южный полюс холода.

Но это не самая холодная точка на Земле. Сотрудники Колорадского университета в Боулдере пришли к выводу, что Антарктида может быть еще суровей, чем считалось ранее. Самая низкая температура обнаружена в Восточном Антарктическом плато. Регион располагается на 3,5 км выше уровня моря, поэтому воздух там разреженный и сухой. В 2013 году в результате наблюдений со спутника удалось выяснить, что температура может опускаться до -93 С.

Исследования сотрудников Колорадского университета основано на информации со спутника Landset 8, переданной с 2004 по 2020 года. Ученые выяснили, что низкие температуры в -90 С типичны для зимы на Восточном Антарктическом Плато. Почти в 100 местах температура опускалась до -98 С. Эти места – небольшие ямы во льду, способные удержать разреженный воздух. Такая погода сравнима с климатом на полюсах Марса в летний день.

По мнению ученых, подобные показатели объясняются наличием слоя охлажденного воздуха в период, когда Земля отдает тепло в космос. Слой тяжелый, поэтому опускается с вершин в расщелины, где становится более холодным. Условиями для проявления минимума являются легкий ветер, ясное небо и сухой воздух.

Природа Антарктиды может удивлять и относительно теплой погодой. На станции Ванда в 1975 г. температура поднялась до +15 С.

Купол Фудзи

Вершина купола достигает 3,7 км в высоту, а температура редко превышает -30 С. На этой горе был зафиксирован минимум в -91,2 С. При такой температуре невозможно дышать, так как углекислый газ мгновенно превращается в лед.

Новый рекорд может быть установлен на станции Куньлунь. Она находится на куполе Аргуса – самом высоком месте в Антарктиде. По мнению ученых, здесь может наблюдаться температура ниже -100 С.

Термоядерные топки космоса

В ядрах массивных звезд, стиснутых колоссальным давлением, развиваются действительно высокие температуры, достаточные для нуклеосинтеза элементов вплоть до железа и никеля. Так, расчеты для голубых гигантов, сверхгигантов и очень редких гипергигантов дают для этого параметра к концу жизни звезды порядок величины 109 K – миллиард градусов.

Строение и эволюция подобных объектов пока еще недостаточно хорошо изучены, соответственно и модели их еще далеко не полны. Ясно, однако, что очень горячими ядрами должны обладать все звезды больших масс, к каким бы спектральным классам они ни принадлежали, – например, красные сверхгиганты. Несмотря на несомненные различия в процессах, протекающих в недрах звезд, ключевым параметром, определяющим температуру ядра, является масса.

Звездные остатки

От массы в общем случае зависит и судьба звезды – то, как она окончит свой жизненный путь. Маломассивные звезды типа Солнца, исчерпав запас водорода, теряют внешние слои, после чего от светила остается вырожденное ядро, в котором уже не может идти термоядерный синтез, – белый карлик. Наружный тонкий слой молодого белого карлика обычно имеет температуру до 200 000 K, а глубже располагается изотермическое ядро, нагретое до десятков миллионов градусов. Дальнейшая эволюция карлика заключается к его постепенному остыванию.

Иллюстрация нейтронной звезды

Гигантские звезды ждет иная судьба – взрыв сверхновой, сопровождающийся повышением температуры уже до значений порядка 1011 K. В ходе взрыва становится возможен нуклеосинтез тяжелых элементов. Одним из результатов подобного феномена является нейтронная звезда – очень компактный, сверхплотный, со сложной структурой остаток погибшей звезды. При рождении он столь же горяч – до сотен миллиардов градусов, однако стремительно остывает за счет интенсивного излучения нейтрино. Но, как мы увидим далее, даже новорожденная нейтронная звезда – не то место, где температура – самая высокая во Вселенной.

Различия в температуре на поверхности

Еще один важный пункт — некоторые места на поверхности одной и той же звезды могут иметь разную температуру. Перепады достигают нескольких тысяч градусов Цельсия! Все зависит от способа передачи энергии от ядра звезды. Астрофизики выделяют два основных — лучистый перенос и конвекцию:

  • Во время лучистого переноса энергия ядерного синтеза пробивается из центра звезды прямо сквозь звездное вещество — в виде лучей. Этот путь эффективный с точки зрения сохранения энергии, но очень медленный. Если зона лучистого переноса находится у центра звезды, как у нашего Солнца, путь лучей займет несколько десятков тысяч лет.
  • Конвекция же базируется на всем нам известном законе природы — теплые жидкости и газы поднимаются наверх, а холодные — опускаются вниз. И так как звезды состоят из газа, конвекция наблюдается и у них. Звездное вещество, разогреваясь у более горячих слоев звезды, поднимается к более холодным зонам светила с меньшим давлением газа. Там забранная изнутри энергия отдается в виде излучения.

А Вы смотрели: Какой цвет Плутона

Схема движения энергии в звезде солнечного типа

Схема движения энергии в звезде солнечного типа

Размещение зон лучистого переноса и конвекции зависит от массы звезды. В звездах, масса которых меньше солнечной, преобладает только конвекция. Массивные светила переносят жар от ядра к внешним слоям конвекцией, а до самой поверхности — лучистым переносом.

У Солнца же все наоборот: энергия от ядра уходит в виде лучей, а потом уже выкидывается на поверхность конвективными потоками звездной плазмы. Там, в фотосфере, энергия Солнца снова превращается в свет — в том числе видимый человеческому глазу.

И именно благодаря конвекции на поверхности Солнца случаются перепады температуры. Места, в которых это происходит, выделяются еще и визуально. Три главных типа — это факелы, пятна и протуберанцы.

  • Факелы — это горячие и яркие зоны на Солнце. Их температура выше окружающей поверхности на 1–2 тысячи градусов по Цельсию.
  • Пятна — это более холодные и темные зоны на фотосфере звезды. Нагрев их центра меньше обычной температуры Солнца на 2000 °C. Также вокруг пятен существует «тень», которая уже теплее — они всего на 200–500 градусов холоднее окружающей их фотосферы.
  • Протуберанцы являются извержением звездного вещества из глубины, которые поднимаются выше солнечной атмосферы. Хотя они и холоднее короны Солнца, их температура выше фотосферной — до 15 тысяч градусов Цельсия.

Пятна, факелы и протуберанцы

Пятна, факелы и протуберанцы

Как и факелы, так и пятна с протуберанцами на Солнце появляются благодаря магнитным полям звезды, пересекающим фотосферу в периоды повышенной активности. Факелы появляются на тех местах, где магнитные линии ускоряют конвективные потоки газов из глубин Солнца. Похожее происхождения имеют и протуберанцы — но зона выхода магнитного поля у них куда уже, а сила магнитных линий — больше. В пятнах, наоборот, магнитное поле тормозит процесс термопередачи — поэтому они тусклее и прохладнее.

В силу близости Солнца к нам, оно остается единственной звездой, на которой наблюдались такие явления. Но так как природа звезд очень схожа, астрономы предполагают наличие пятен и факелов на других светилах.

Источник

Далекие экзотические объекты

Существует класс космических объектов, достаточно удаленных (а значит, и древних), характеризующихся совершенно экстремальными температурами. Это квазары. По современным воззрениям, квазар представляет собой сверхмассивную черную дыру, обладающую мощным аккреционным диском, образуемым падающим на нее по спирали веществом – газом или, точнее, плазмой. Собственно, это активное галактическое ядро в стадии формирования.

Скорость движения плазмы в диске настолько велика, что вследствие трения она разогревается до сверхвысоких температур. Магнитные поля собирают излучение и часть вещества диска в два полярных пучка – джета, выбрасываемых квазаром в пространство. Это чрезвычайно высокоэнергетический процесс. Светимость квазара в среднем на шесть порядков выше светимости самой мощной звезды R136a1.

Квазар в представлении художника

Теоретические модели допускают для квазаров эффективную температуру (то есть присущую абсолютно черному телу, излучающему с той же яркостью) не более 500 миллиардов градусов (5×1011 K). Однако недавние исследования ближайшего квазара 3C 273 привели к неожиданному результату: от 2×1013 до 4×1013 K – десятки триллионов кельвинов. Такая величина сравнима с температурами, достигающимися в явлениях с наивысшим известным энерговыделением – в гамма-всплесках. На сегодняшний день это самая высокая температура во Вселенной, которая была когда-либо зарегистрирована.

Жарче всех

Следует иметь в виду, что квазар 3С 273 мы видим таким, каким он был около 2,5 миллиарда лет назад. Так что, учитывая, что, чем дальше мы заглядываем в космос, тем более отдаленные эпохи прошлого наблюдаем, в поисках самого горячего объекта мы вправе окинуть взглядом Вселенную не только в пространстве, но и во времени.

Первые звезды в ранней Вселенной

Если вернуться к самому моменту ее рождения — приблизительно 13,77 миллиарда лет назад, наблюдать который невозможно, — мы обнаружим совершенно экзотическую Вселенную, при описании которой космология подходит к пределу своих теоретических возможностей, связанному с границами применимости современных физических теорий.

Описание Вселенной становится возможным, начиная с возраста, соответствующего планковскому времени 10-43 секунд. Самый горячий объект в эту эпоху – сама наша Вселенная, с планковской температурой 1,4×1032 K. И это, согласно современной модели ее рождения и эволюции, максимальная температура во Вселенной из всех когда-либо достигавшихся и возможных.

Что-то странное происходит с Полярной звездой

Люди наблюдали за Полярной звездой веками. Яркая звезда, также известная как Полярная, находится почти прямо над северным полюсом Земли и служит в качестве ориентира в небе для путешественников. Это также самая близкая цефеида к Земле, тип звёзд, которые регулярно пульсируют при этом изменяя как свой диаметр, так и яркость. Полярная звезда является двойной звездой; компаньоном в системе является более тусклая сестра, известная как Полярная B.

“Однако, когда мы узнаём больше, становится ясно, что мы понимаем меньше о Полярной звезде”, – сказал соавтор нового исследования Хильдинг Р. Нилсон, астрофизик из Университета Торонто.

Проблема с Полярной звездой заключается в том, что никто не может точно определить, насколько она велика или далека.

У астрофизиков есть несколько способов вычислить массу, возраст и расстояние до звезды, подобной Полярной. Одним из методов является модель звёздной эволюции. Исследователи могут изучать яркость, цвет и скорость пульсации звезды и использовать эти данные, чтобы выяснить, насколько она велика и ярка, и на какой стадии жизни она находится. Как только эти детали определены, не составляет особого труда выяснить, как далеко находится звезда; это довольно простая математика, когда вы знаете, насколько яркая звезда на самом деле и насколько тусклой она выглядит с Земли.

Эти модели особенно точны для цефеид, поскольку их частота пульсаций напрямую связана с их светимостью или яркостью. Это позволяет легко рассчитать расстояние до любой из этих звёзд. Астрономы настолько уверены, что понимают эти соотношения, что цефеиды стали критически важными инструментами для измерения расстояний по всей Вселенной.

Но есть и другие способы изучения Полярной звезды, и эти методы не согласуются с моделями звёздной эволюции.

“Полярная – это то, что мы называем астрометрической двоичной системой, – сказал Нилсон, – что означает, что вы можете видеть, как её спутник движется вокруг неё. И на это уходит около 26 лет”.

Исследователи ещё не сделали подробных наблюдений за полным кругом Полярной B. Но они видели достаточно спутников в последние годы, чтобы иметь довольно подробную картину того, как выглядит орбита компаньонов. Получив эту информацию, вы можете применить закон тяготения Ньютона для измерения масс двух звёзд. Эта информация в сочетании с новыми измерениями “параллакса” космическим телескопом “Хаббл” – ещё один способ вычисления расстояния до звезды – приводит к очень точным значениям массы и расстояния до Полярной звезды. Эти измерения говорят, что она примерно в 3,45 ± 0,75 раза массивнее Солнца.

Это намного меньше, чем масса, которую вы получаете из моделей звёздной эволюции, которые предполагают значение, в семь раз превышающее массу Солнца.

Эта звёздная система странна и в других отношениях. Расчёты возраста Полярной B показывают, что звезда намного старше своего старшего брата, что необычно для двойной системы. Как правило, две звезды обычно оказываются примерно одного возраста.

Нейлсон вместе с Хейли Блинн, студентом и исследователем в университете Торонто, создали огромный набор моделей для Полярной звезды, чтобы посмотреть, могут ли эти модели согласовать все данные, известные о системе. Оказалось, что они не могут.

Возможно, всё дело в том, что по крайней мере одно из измерений неверно, писали исследователи. Полярная – особенно трудная звезда для изучения. Расположенная над Северным полюсом Земли, она находится вне поля зрения большинства телескопов. А телескопы, которые имеют необходимое оборудование для точного измерения свойств звезды, обычно предназначены для изучения более слабых, более отдалённых звёзд. Полярная звезда слишком яркая для этих инструментов; на самом деле, она ослепительна для них.

“Но полученные данные кажутся заслуживающими доверия, и нет никаких очевидных причин сомневаться в этой информации”, – сказал Нилсон.

Проведённая работа привела Нилсона и Блинна к другому, более странному объяснению: возможно, главная звезда в рассматриваемой двойной системе являлась когда-то двумя отдельными звёздами, и они слились вместе несколько миллионов лет назад. Такое двойное столкновение, может омолодить звёзды.

Звёзды, возникающие в результате двойных столкновений, не соответствуют моделям звёздной эволюции, и такое событие может объяснить несоответствие, обнаруженное для Полярной звезды.

“Это был бы маловероятный сценарий, но не невозможный”, – пишут исследователи.

Пока что ни одно из решений не является полностью удовлетворительным.

Таким образом Полярная звезда продолжает оставаться настоящей загадкой, и чем больше мы получаем данных, тем меньше мы понимаем.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: