Nơi lạnh nhất trong hệ mặt trời

Không gian là nơi rất lạnh. Nhiệt độ trung bình của không gian bên ngoài Trái đất chỉ khoảng 2,7 độ Kelvin, hoặc -270,45°C, cao hơn một chút so với độ không tuyệt đối (điểm nhiệt độ mà chuyển động của các phân tử dừng lại). Nhưng nhiệt độ này không cố định trong toàn bộ hệ Mặt trời. Cái gọi là không gian “trống” – mặc dù nó không thực sự trống rỗng – lạnh hơn nhiều so với các hành tinh, Mặt trăng hoặc tiểu hành tinh, bởi vì nó không có gì để hấp thụ năng lượng từ Mặt trời.

Vậy nếu không tính đến không gian trống, nơi lạnh nhất trong hệ Mặt trời là gì? Và nhiệt độ của nó thấp hơn bao nhiêu so với nhiệt độ trên Trái đất? Trước khi trả lời các câu hỏi này, chúng ta hãy dành một chút thời gian để tìm hiểu nhiệt độ trong vũ trụ được tính như thế nào.

“Người ta có thể đo nhiệt độ bằng cách đo cường độ bức xạ của tia hồng ngoại và vi sóng phát ra từ các bề mặt. Trong trường hợp không thể thực hiện phép đo như vậy, các nhà nghiên cứu có thể ước tính nhiệt độ của một vật thể dựa trên lượng ánh sáng Mặt trời mà nó tiếp nhận”, Ian Crawford, giáo sư về khoa học hành tinh và sinh vật học vũ trụ tại Đại học Birkbeck ở Vương quốc Anh, cho biết.

Tuy nhiên, quá trình thực hiện các phép đo vũ trụ không phải lúc nào cũng đơn giản. Don Pollacco, giáo sư tại Đại học Warwick (Anh), nhận định: “Không có gì là đơn giản trong thiên văn học, bởi vì bạn chủ yếu phải dựa vào các quan sát thay vì tương tác trực tiếp”.

Mặc dù có những cách thích hợp để đo nhiệt độ trong không gian, nhưng sẽ luôn có chỗ cho sự cải tiến. “Nhiệt độ chỉ là ước tính. Các con số bạn tính toán phụ thuộc vào mức độ chính xác của các giả định và mô hình vật lý mà bạn đang sử dụng”, Pollacco nói.

Nhiều người có thể cho rằng sao Diêm Vương là nơi lạnh nhất trong Thái Dương hệ do nó nằm cách xa Mặt trời. Nhưng theo các dữ liệu hiện nay, nơi lạnh nhất ở gần Trái đất hơn nhiều.

Năm 2009, dữ liệu từ tàu vũ trụ Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) đã cung cấp bằng chứng cho thấy các miệng hố bị che khuất ở cực Nam của Mặt trăng có thể là nơi lạnh nhất trong hệ Mặt trời. Patrick O’Brien và Shane Byrne, hai nhà nghiên cứu tại Đại học Arizona (Mỹ), đã trình bày về vấn đề này trong Hội nghị Khoa học Hành tinh và Mặt trăng diễn ra ở Texas (Mỹ) vào tháng 3/2022.

Theo O’Brien và Byrne, phần trung tâm các miệng hố ở cực Nam Mặt trăng không nhận được ánh sáng trực tiếp từ Mặt trời và các nguồn sưởi thứ cấp khác – chẳng hạn như ánh sáng Mặt trời phản xạ từ những khu vực được chiếu sáng gần đó hoặc bức xạ nhiệt phát ra từ các bề mặt ấm áp.

“Các miệng hố bị che khuất trên Mặt trăng có mép ngoài đủ cao để ánh sáng Mặt trời không bao giờ chiếu tới phần đáy trong hàng tỷ năm. Đó là lý do tại sao chúng rất lạnh”, Pollacco cho biết. “Miệng hố có thể là những bẫy lạnh (cold traps) chứa không chỉ băng đá mà còn bao gồm các hợp chất và nguyên tố dễ bay hơi như carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), dinitrogen và argon”.

O’Brien và Byrne ước tính nhiệt độ tại những miệng hố ở cực Nam của Mặt trăng khoảng 25 độ Kelvin, hoặc -248,15°C, nhưng chúng cũng có thể lạnh hơn.

Crawford tin tưởng vào tính chính xác trong nghiên cứu của O’Brien và Byrne. Ông nói: “Tôi chắc rằng đây là mức nhiệt độ lạnh nhất bên trong hệ Mặt trời, và nó thấp hơn nhiều so với nhiệt độ bề mặt trung bình của sao Diêm Vương”. Theo Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), nhiệt độ bề mặt trung bình của sao Diêm Vương là 40,4 độ Kelvin, hoặc -232,75°C.

Tuy nhiên, những miệng hố trên Mặt trăng có khả năng không lạnh bằng đám mây Oort – một tập hợp các thiên thể băng giá nằm phía ngoài quỹ đạo của sao Hải Vương. Nhiệt độ trong đám mây Oort có thể lạnh tới 5 độ Kelvin (hoặc -268,15°C), thấp hơn nhiều so với bất kỳ nhiệt độ nào được tìm thấy trên Mặt trăng.

“Vấn đề là chúng ta có đề cập đến đám mây Oort khi thảo luận về hệ Mặt trời hay không”, Crawford nói.

Các nhà khoa học đôi khi xem xét đám mây Oort là một phần của hệ Mặt trời, nằm ở vùng xa nhất trong Thái Dương hệ. Nhưng đôi khi họ lại nhìn nhận đám mây này nằm bên ngoài hệ Mặt trời, hoặc ranh giới giữa hệ Mặt trời và không gian giữa các vì sao.

Nói tóm lại, nếu chúng ta không tính đám mây Oort nằm trong hệ Mặt trời, địa điểm lạnh nhất trong hệ Mặt trời thuộc về các miệng hố bị che khuất tại cực Nam Mặt trăng, vệ tinh tự nhiên của Trái đất.

Trên Trái đất, ngay cả nhiệt độ lạnh nhất và khắc nghiệt nhất ở Nam Cực cũng ấm hơn nhiều so với các miệng hố của Mặt trăng. Nhiệt độ lạnh nhất trên mặt đất từng được ghi nhận tại Trạm nghiên cứu Vostok của Nga ở Nam Cực là -89,2°C vào ngày 21/7/1983, theo Tổ chức Khí tượng Thế giới.

Con người đã tạo ra nhiệt độ trong phòng thí nghiệm thấp hơn nhiệt độ tự nhiên trên Trái đất, trong miệng hố của Mặt trăng hoặc thậm chí cả đám mây Oort.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters vào năm 2021, các nhà khoa học Đức đã tạo ra nhiệt độ 38 phần nghìn tỷ độ so với độ không tuyệt đối (38 pico Kelvin) trong khoảng thời gian 2 giây, phá kỷ lục về nhiệt độ lạnh nhất từng được ghi nhận trong phòng thí nghiệm.

Độ không tuyệt đối là trạng thái nhiệt động học lý tưởng của vật chất, trong đó mọi chuyển động nhiệt đều ngừng. Theo các kết quả tính toán lý thuyết, trạng thái này đạt được đối với mọi hệ vật chất ở nhiệt độ khoảng -273°C, hay 0°K (độ Kelvin).

Để tiến hành thí nhiệm, các nhà khoa học đã bẫy 100.000 nguyên tử rubidi ở dạng khí bên trong từ trường của một buồng chân không. Sau đó, họ làm lạnh các nguyên tử để tạo ra trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein (BEC).

Bằng cách thả buồng chân không rơi tự do trong khi bật và tắt từ trường nhanh chóng, các nhà nghiên cứu cho phép BEC lơ lửng mà không bị trọng lực ngăn cản. Quá trình này làm chậm chuyển động của nguyên tử rubidi đến mức gần như đứng yên.

Theo Live Science