Где находится самое холодное место во Вселенной?⁠⁠

Иногда кажется, что космос это просто эталон холода. Со школьных времён мы помним что там вакуум, почти абсолютный ноль, -273 °C, холоднее вроде-бы некуда. И логика железная, если вокруг пустота, греть нечему, значит холодно. Всё сходится.
Проблема в том, что космос с этой логикой не особо согласен.
У космоса всё-таки есть своя собственная температура, которая выше абсолютного ноля. Всё пространство заполнено слабым излучением, которое осталось от ранней Вселенной.
И оно везде. Между галактиками, внутри галактик, в пустотах, где на миллионы световых лет нет ничего. Даже если вас закинуть в самую глухую дыру Вселенной, вы всё равно окажетесь в этом слабом тепловом «тумане». Сегодня оно остыло, растянулось вместе с расширением Вселенной, и превратилось в еле уловимый фон.
Называется это излучение - реликтовым, или космическим микроволновым фоном. Ему почти 14 миллиардов лет, и оно до сих пор греет Вселенную. Хотя греет это громко сказано.
Его температура примерно 2,7 кельвина, то есть -270,5 °C. Не курорт, конечно, но и не абсолютный ноль.
И вроде-бы кажется что если это излучение есть везде, значит холоднее него ничего быть не может. Ведь любой объект рано или поздно поглотит хоть немного энергии и выйдет на ту же температуру. Казалось бы, всё, финал, нижняя граница найдена. Но тут Вселенная, как обычно, делает вид, что не обязана подчиняться нашим «логичным выводам». Астрономы нашли место, где холоднее. Да, буквально холоднее самой Вселенной.

Есть такой объект, туманность Бумеранг. Находится в созвездии Центавра, выглядит как обычное облако газа. Ничего на первый взгляд особенного, таких туманностей полно. Но внутри неё температура около 1 кельвина, это примерно -272 °C. То есть холоднее, чем тот самый космический фон, который казалось бы задаёт предел. Как так? Физика сломалась?
Давайте разбираться.

Для начала нужно понять что такое «температура» в физике.
Потому что в быту это «холодно/тепло», а в физике это просто средняя энергия движения частиц. Чем быстрее носятся атомы и молекулы тем теплее, чем медленнее тем холоднее.
В разреженном космическом газе частицы редко сталкиваются, но всё же сталкиваются.
А ещё они поглощают и излучают фотоны, те самые крошечные порции энергии от реликтового фона. Представьте объект где-то в межгалактической пустоте. Он излучает энергию, остывает. Но на него постоянно падают фотоны реликтового излучения, слегка подогревая. В итоге наступает равновесие: сколько излучил, столько и получил. Поэтому большинство космической материи не может остыть ниже 2,7 К.
Вот поэтому открытие объекта холоднее реликтового фона стало для астрономов шоком. Значит, в природе есть процесс, который способен «перехитрить» это вездесущее нагревание.

Фокус там не в каком-то экзотическом веществе. Не в «особых атомах» и не в какой-то магии.
Туманность Бумеранг это не обычное газовое облако. Это так называемая протопланетарная туманность, редкая стадия жизни звезды, похожей на наше Солнце. Когда такая звезда стареет, она превращается в красного гиганта. Гравитация уже не удерживает внешние слои, и звезда начинает сбрасывать свою оболочку в космос. Обычно это происходит относительно спокойно, но Бумеранг исключение. Там газ вырывается наружу с бешеной скоростью, сотни километров в секунду. И именно здесь начинается физика, которая делает этот объект уникальным. Когда газ быстро расширяется - он охлаждается.
Это тот же эффект, который можно почувствовать на Земле. Вы замечали, что при распылении баллончика с аэрозолем, например освежителя воздуха на кожу, становится холодно?
Это адиабатическое расширение. Смысл прост - если газ расширяется быстрее, чем успевает получать тепло извне, его внутренняя энергия падает. А вместе с ней падает и температура.
В туманности Бумеранг это работает в космическом масштабе. Газ вырывается так быстро, что охлаждается быстрее, чем успевает нагреться от реликтового фона. Температура падает до ~1 кельвина. И вот тогда температура падает ниже общевселенского уровня.
Естественно, это не вечный режим. Газ расширяется, становится всё более разреженным, и в какой-то момент излучение Вселенной всё-таки берёт своё, температура начнёт расти обратно.

Откуда мы вообще знаем температуру этой туманности?
Хороший вопрос. Мы же туда не летали с термометром? Но это и не нужно.
Температуру мы узнаём через свет, вернее через спектры. Космический газ почти никогда не состоит из чистого водорода. Там есть молекулы, например угарный газ.
Эти молекулы излучают свет на строго определённых длинах волн, и форма этих линий зависит от температуры. Астрономы ловят это излучение радиотелескопами и субмиллиметровыми телескопами, анализируют спектр и определяют температуру, плотность и скорость газа. В случае Бумеранга наблюдения показали что туманность не поглощает реликтовое излучение, а ослабляет его. Это возможно только если газ внутри неё холоднее самого фона.

А есть ли места ещё холоднее?
Наверняка есть. Вселенная огромна, а мы видим лишь малую её часть. Чтобы стать холоднее 2,7 К, нужен особый механизм, сверхбыстрое расширение, как в Бумеранге.
Теоретически такие условия могут возникать у других умирающих звёзд, в протопланетарных туманностях, в необычных динамических структурах. Но обнаружить их трудно, холодный газ почти не излучает, его можно увидеть только по слабым спектральным линиям или по тому, как он поглощает фоновый сигнал.
Есть, конечно, холодные регионы и без всяких «трюков».

В Галактике есть например молекулярные облака, гигантские скопления газа, где рождаются звёзды. Их температура 10-20 К.

Есть тёмные туманности, они ещё более холодные, 7-8 К.
По космическим меркам это уже «морозилка». Но до уровня реликтового фона они всё равно не дотягивают.
Кстати, самые низкие температуры вообще создали не в космосе, а в лабораториях, у нас на Земле. В лабораториях охлаждают атомы до пикокельвинов, это триллионные доли кельвина. Практически абсолютный ноль. Такие температуры достигаются с помощью лазерного охлаждения, магнитных ловушек, испарительного охлаждения. В этих условиях атомы начинают вести себя как единая квантовая система, образуют конденсаты Бозе-Эйнштейна, но это уже совсем другая история.