De los lugares más fríos a los más fríos del universo

El universo visible está lleno de temperaturas extremas.

Centaurus A es el ejemplo más cercano a la Tierra de una galaxia activa, con sus chorros de alta energía generados por la aceleración electromagnética alrededor del agujero negro central. El tamaño de sus chorros es mucho más pequeño que los chorros que Chandra observó alrededor de la imagen A, que a su vez son mucho más pequeños que los chorros que se encuentran en los cúmulos de galaxias masivos. Esta imagen, por sí sola, muestra temperaturas que van desde ~10 K hasta varios millones de K.

crédito: Rayos X: NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al Radio: NSF/VLA/Univ. De Hertfordshire / M. Hardcastle et al. Óptica: ESO/VLT/ISAAC/M.Rejkuba et al.

Es cierto: el pasado fue más cálido y el futuro será más frío.

expansión espacial

La historia visible del universo en expansión incluye el estado caliente y denso conocido como Big Bang y el subsiguiente crecimiento y formación de la estructura. El conjunto completo de datos, incluidas las observaciones de elementos ligeros y el fondo cósmico de microondas, deja solo el Big Bang como explicación válida para todo lo que vemos. A medida que el universo se expande, también se enfría, lo que permite la formación de iones, átomos neutros y, finalmente, moléculas, nubes de gas, estrellas y, finalmente, galaxias. Al principio, se lograron las condiciones de temperatura más altas jamás alcanzadas; En un futuro lejano, todo eventualmente se calmará hacia el cero absoluto.

crédito: NASA/CXC/M. Weiss

Pero incluso hoy en día, los extremos fríos y calientes son omnipresentes.

Un agujero negro supermasivo de cuásar activo

Esta ilustración de un cuásar ruidoso incrustado dentro de una galaxia de formación estelar ofrece una mirada de cerca a cómo se verían las radiogalaxias gigantes. En el centro de una galaxia activa con un agujero negro supermasivo, se emiten chorros que chocan con el halo de la galaxia más grande, energizando el gas y el plasma y provocando emisiones de radio en forma de chorros cerca del agujero negro, luego penachos y/o o lóbulos más alejados. Los agujeros negros supermasivos y estelares tienen pruebas convincentes que respaldan su existencia, pero los agujeros negros supermasivos pueden calentar la materia a las temperaturas más altas jamás registradas, acelerando partículas mucho más allá del límite GZK determinado por la física de partículas.

crédito: ESA/C.Caro

Los ambientes más calientes se encuentran alrededor de los aceleradores de partículas naturales: agujeros negros supermasivos.

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Alcioneo

Las características de radio que se muestran aquí resaltan, en naranja, la radiogalaxia gigante Alcioneo, así como el agujero negro central y sus chorros y lóbulos en cada extremo. Esta característica es la más grande del universo que corresponde a una sola galaxia y convierte a Alcioneo en la galaxia más grande conocida en el universo en la actualidad. Aunque aquí solo se muestran las características de radio e infrarrojos, también irradian en la parte de alta energía del espectro.

crédito: MSSL Oei et al., Astronomía y astrofísica, 2022

Cuando está activo, sus partículas aceleradoras alcanzan un máximo de ~1020 energías eV, lo que significa ~1024 temperaturas K.

rayos cósmicos

Estos gráficos muestran el espectro de rayos cósmicos en función de la energía del Observatorio Pierre Auger. Puede ver claramente que la función es más o menos suave hasta una energía de ~ 5 x 10 ^ 19 eV, correspondiente al corte GZK. Por encima de eso, las partículas todavía están presentes, pero son menos abundantes, probablemente debido a su naturaleza como núcleos atómicos más pesados. En general, se cree que los agujeros negros activos y supermasivos son los generadores de estos rayos cósmicos de mayor energía, que pueden corresponder a temperaturas de hasta 10 ^ 22-10 ^ 24 K.

crédito: Colaboración de Pierre Auger, Phys. Rev.Litt, 2020

El interior de una estrella de neutrones viene a continuación, ya que el plasma de quarks-gluones alcanza su punto máximo en T ~ 1012 k

Los interiores de una estrella de neutrones

Aún así, una enana blanca, una estrella de neutrones o incluso una exótica estrella de quark están hechas de fermiones. La presión de la desintegración de Pauli ayuda a levantar el remanente estelar contra el colapso gravitatorio, evitando que se forme el agujero negro. Dentro de las estrellas de neutrones más masivas, se cree que existe una forma exótica de materia, un plasma de quarks-gluones, con temperaturas que se elevan a alrededor de 1 billón (10 ^ 12) Kelvin.

crédito: NASA/CXC/M. Weiss

Los centros de las estrellas masivas alcanzan los 108-109 K, necesaria para la incorporación de elementos pesados.

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estrella gigante

Cuando el Sol se convierta en una gigante roja, se volverá similar dentro de Arcturus. Scorpius es más una estrella gigante, y es mucho más grande de lo que será nuestro sol (o cualquier estrella similar al sol). Aunque las gigantes rojas producen mucha más energía que nuestro Sol, son mucho más frías e irradian a una temperatura más baja en sus superficies. Dentro de su núcleo, donde tiene lugar la fusión de carbono y elementos más pesados, las temperaturas pueden superar varios cientos de millones de Kelvin.

crédito: Sakurambo/SkateBiker en la Wikipedia en inglés

el Las nubes de gas/plasma más calientes hasta varios millones de grados.

La cavidad de explosión de rayos X más grande de Ophiuchus

La evidencia de la explosión más grande jamás vista en el universo proviene del conjunto de datos de rayos X de Chandra y XMM-Newton. La erupción volcánica es causada por un agujero negro ubicado en la galaxia central del cúmulo, que arrojó chorros y formó una gran cavidad en el gas caliente circundante. Los investigadores estiman que esta explosión liberó cinco veces más energía que el poseedor del récord anterior y cientos de miles de veces más que un cúmulo de galaxias típico. El gas emitido por los rayos X puede alcanzar temperaturas desde millones hasta ~100 millones K.

crédito: Rayos X: Chandra: NASA/CXC/NRL/S. Giacintucci et al., XMM-Newton: ESA/XMM-Newton; Radio: NCRA/TIFR/GMRT; IR: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSF

Las superficies de las estrellas de neutrones y la enana blanca interna son ligeramente más frías: de cada 105-106 k

El campo magnético de una estrella de neutrones.

Esta simulación por computadora de una estrella de neutrones muestra partículas cargadas que son movidas por los campos eléctricos y magnéticos extremadamente fuertes de la estrella de neutrones. La estrella de neutrones más rápida que jamás hayamos detectado es un púlsar que gira 766 veces por segundo: más rápido que nuestro propio Sol si lo reducimos al tamaño de una estrella de neutrones. Independientemente de sus velocidades de giro, las estrellas de neutrones pueden ser los objetos físicos más densos que la naturaleza puede crear sin progresar a la formación de una singularidad y, por lo general, tienen temperaturas superficiales de varios cientos de miles de grados.

crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Después de eso, los planetas interiores gigantes y las enanas blancas salen a la superficie entre 8000 y 50 000 K.

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nebulosa planetaria

Cuando nuestro Sol se quede sin combustible, se convertirá en una gigante roja, seguida de una nebulosa planetaria con una enana blanca en el centro. La Nebulosa Ojo de Gato es un ejemplo visualmente sorprendente de este posible destino, ya que la forma compleja, en capas y asimétrica de esta particular nebulosa sugiere la presencia de un compañero binario. En el centro, una enana blanca joven se calienta a medida que se contrae, alcanzando temperaturas decenas de miles de kelvins más calientes que la superficie de la gigante roja que la generó. Las envolturas exteriores de gas consisten principalmente en hidrógeno, que regresa al medio interestelar al final de la vida de una estrella similar al Sol.

crédito: Nordic Optical Telescope y Romano Corradi (Isaac Newton Telescope Collection, España)

Las superficies estelares son comparativamente más frías: 2700 K y más.

Esta ilustración muestra algunas de las estrellas más grandes del universo, junto con las órbitas de Saturno (elipse marrón) y Neptuno (elipse azul) a modo de comparación. Las estrellas, de izquierda a derecha, son la gigante azul más grande, la gigante amarilla grande, la gigante naranja y luego las dos estrellas más grandes de todas: la gigante roja UY Scuti y Stephenson 2-18. Las estrellas más grandes tienen un diámetro de unas 2.000 veces el de nuestro Sol, pero las temperaturas en la superficie de estas estrellas van desde unos pocos miles de Kelvin hasta las estrellas Wolf-Rayet, con temperaturas de hasta 200.000 Kelvin.

crédito: SkyFlubbler/Wikimedia Commons

Las enanas marrones y los planetas calientes alcanzan ~500-2000+ K.

el planeta mas grande

Este exoplaneta caliente de Júpiter será mucho más débil en su lado nocturno que en su lado diurno, ya que los vientos transportarán volátiles que se evaporan e ionizan durante el día, mientras se condensan, forman nubes y se aceleran durante la noche. El lado diurno de Júpiter caliente puede alcanzar temperaturas superiores a los 2000 K, mientras que el lado nocturno puede ser mucho más frío, con temperaturas muy por debajo de los 1000 K.

crédito: ESA/ATG medialab

Los cuerpos planetarios oscilan entre miles y decenas de grados, determinados por sus distancias orbitales.

mundos del sistema solar

En términos de tamaño, los mundos de los gigantes gaseosos son significativamente más grandes que cualquiera de los planetas terrestres. En términos de temperatura, la distancia a la estrella madre es el factor dominante para la temperatura de un planeta siempre que no produzca demasiado calor interno. En nuestro sistema solar, un objeto similar a Plutón reside a unos 40 K, mientras que Venus es el planeta más caliente a más de 700 K.

crédito: CactiStaccingCrane / Wikimedia Commons

En el espacio interestelar, las temperaturas oscilan entre 10 y 30 K.

Estrellas de la Nebulosa del Águila

La Nebulosa del Águila, famosa por su continua formación estelar, contiene una gran cantidad de glóbulos de Bock o nebulosas oscuras, que aún no se han evaporado y están trabajando para colapsar y formar nuevas estrellas antes de que desaparezcan por completo. Estos lugares fríos y oscuros del espacio, especialmente cuando no se está formando una estrella en su interior, a menudo pueden alcanzar temperaturas de 10 a 30 K, lo que los convierte en algunos de los lugares más fríos de la galaxia.

crédito: ESA/Hubble y NASA

El espacio intergaláctico profundo es de 2.725 K: es calentado únicamente por el CMB.

temperatura del universo

En cualquier momento de nuestra historia cósmica, cualquier observador experimentará un «baño» regular de radiación multidireccional que se originó en el Big Bang. Hoy, desde nuestro punto de vista, está a solo 2,725 K por encima del cero absoluto y, por lo tanto, se observa como un fondo de ondas cósmicas, alcanzando su punto máximo en las frecuencias de microondas. A grandes distancias cósmicas, cuando miramos hacia atrás en el tiempo, esa temperatura era más alta dependiendo del corrimiento al rojo del objeto distante observado. A medida que se acerca el año nuevo, la temperatura de radiación del CMB cae alrededor de 0,2 nanokelvin y, en varios miles de millones de años, se volverá tan roja que tendrá frecuencias de radio en lugar de microondas.

crédito: Tierra: NASA/BlueEarth; Vía Láctea: ESO/S.Brunner. CMB: NASA/WMAP

Pero los gases que se expanden rápidamente alcanzan las temperaturas naturales más frías.

nebulosa planetaria

La Nebulosa del Huevo, tal como la muestra el Hubble aquí, es una nebulosa preplanetaria, cuyas capas exteriores aún no han sido calentadas a temperaturas suficientes por la estrella central que se encoge. Aunque es similar en muchos aspectos a la Nebulosa Boomerang, ahora tiene una temperatura mucho más alta, aunque puede enfriarse más a medida que sus capas exteriores de gas se expandan en los próximos miles de años.

crédito: NASA y Hubble Legacy Team (STScI/AURA), Hubble Space Telescope/ACS

Las nebulosas preplanetarias, como la nebulosa Boomerang, alcanzan temperaturas de 0,5 a 1,0 K.

El lugar más frío del universo.

Mapa de temperatura codificado por colores de la Nebulosa Boomerang y sus alrededores. Las regiones azules, que son más extensas, son las más frías y de temperatura más baja, y algunos lugares alrededor de la Nebulosa Boomerang tienen entre 0,5 y 1,0 K: las temperaturas naturales más frías registradas.

crédito: Telescopio ESO/NTT; R. Sahai (JPL) / L. Neiman (ESO)

Hoy en día, solo los experimentos de laboratorio logran condiciones más frías.

experiencia acción admx

Esta imagen muestra la extracción del detector ADMX del dispositivo circundante, lo que crea un gran campo magnético para inducir conversiones de fotones axiales. La niebla es causada por la entrada refrigerada que interactúa con el aire cálido y húmedo. Los experimentos de laboratorio pueden alcanzar temperaturas de ~nanokelvin o incluso picokelvin: mucho más frías que cualquier cosa que se encuentre en el universo normal.

crédito: Rakshya Khatiwada, Universidad de Washington

Mostly Mute Monday cuenta una historia astronómica con imágenes y visuales y no más de 200 palabras. taciturno; sonríe más.

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