Des endroits les plus froids aux endroits les plus froids de l’univers

Centaurus A est l’exemple le plus proche d’une galaxie active de la Terre, avec ses jets à haute énergie générés par l’accélération électromagnétique autour du trou noir central. La taille de ses jets est beaucoup plus petite que les jets observés par Chandra autour de l’image A, qui sont eux-mêmes beaucoup plus petits que les jets trouvés dans les amas de galaxies massifs. Cette image, à elle seule, montre des températures allant de ~10 K à plusieurs millions de K.

L’histoire visible de l’univers en expansion comprend l’état chaud et dense connu sous le nom de Big Bang et la croissance et la formation subséquentes de la structure. L’ensemble complet de données, y compris les observations d’éléments légers et le fond diffus cosmologique, ne laisse que le Big Bang comme explication valable pour tout ce que nous voyons. Au fur et à mesure que l’univers se dilate, il se refroidit également, permettant la formation d’ions, d’atomes neutres et, éventuellement, de molécules, de nuages ​​de gaz, d’étoiles et enfin de galaxies. Dès le début, les conditions de température les plus élevées jamais atteintes ont été atteintes; Dans un avenir lointain, tout finira par se calmer vers le zéro absolu.

Cette illustration d’un quasar bruyant intégré dans une galaxie en formation d’étoiles donne un aperçu de ce à quoi pourraient ressembler les radiogalaxies géantes. Au centre d’une galaxie active avec un trou noir supermassif, des jets sont émis qui entrent en collision avec le halo de la plus grande galaxie, énergisant le gaz et le plasma et provoquant des émissions radio sous forme de jets proches du trou noir, puis de panaches et/ ou des lobes plus éloignés. Les trous noirs supermassifs et stellaires ont des preuves irréfutables à l’appui de leur existence, mais les trous noirs supermassifs peuvent chauffer la matière aux températures les plus élevées jamais enregistrées, accélérant les particules bien au-delà du seuil GZK déterminé par la physique des particules.

Les caractéristiques radio montrées ici mettent en évidence, en orange, la radiogalaxie géante Alcyoneus, ainsi que le trou noir central et ses jets et lobes à chaque extrémité. Cette caractéristique est la plus grande de l’univers à correspondre à une seule galaxie et fait d’Alcyoneus la plus grande galaxie connue de l’univers à l’heure actuelle. Bien que seules les caractéristiques radio et infrarouges soient présentées ici, elles rayonnent également dans la partie à haute énergie du spectre.

Ces graphiques montrent le spectre des rayons cosmiques en fonction de l’énergie de l’Observatoire Pierre Auger. Vous pouvez clairement voir que la fonction est plus ou moins lisse jusqu’à une énergie de ~5 x 10^19 eV, correspondant à la coupure GZK. Au-dessus de cela, les particules sont toujours présentes, mais elles sont moins abondantes, probablement en raison de leur nature de noyaux atomiques plus lourds. On pense généralement que les trous noirs actifs et supermassifs sont les générateurs de ces rayons cosmiques de plus haute énergie, qui peuvent correspondre à des températures allant jusqu’à 10 ^ 22-10 ^ 24 K.

Pourtant, une naine blanche, une étoile à neutrons ou même une étoile à quark exotique sont toutes constituées de fermions. La pression de la désintégration de Pauli aide à soulever le reste stellaire contre l’effondrement gravitationnel, empêchant la formation du trou noir. Dans les étoiles à neutrons les plus massives, on pense qu’il existe une forme exotique de matière, un plasma quark-gluon, avec des températures atteignant environ 1 billion (10 ^ 12) Kelvin.

Lorsque le Soleil deviendra une géante rouge, il deviendra similaire à l’intérieur d’Arcturus. Scorpius est plus une étoile géante, et elle est beaucoup plus grande que notre soleil (ou n’importe quelle étoile semblable au soleil) ne le deviendra jamais. Bien que les géantes rouges produisent beaucoup plus d’énergie que notre Soleil, elles sont beaucoup plus froides et rayonnent à une température plus basse sur leurs surfaces. A l’intérieur de son noyau, où s’effectue la fusion du carbone et des éléments plus lourds, les températures peuvent dépasser plusieurs centaines de millions de Kelvin.

Les preuves de la plus grande explosion jamais vue dans l’univers proviennent de l’ensemble de données de rayons X de Chandra et XMM-Newton. L’éruption volcanique est causée par un trou noir situé dans la galaxie centrale de l’amas, qui a craché des jets et creusé une grande cavité dans le gaz chaud environnant. Les chercheurs estiment que cette explosion a libéré cinq fois plus d’énergie que le détenteur du record précédent et des centaines de milliers de fois plus qu’un amas de galaxies typique. Le gaz émis par les rayons X peut atteindre des températures allant de millions à ~100 millions de K.

Cette simulation informatique d’une étoile à neutrons montre que des particules chargées sont déplacées par les champs électriques et magnétiques extrêmement puissants de l’étoile à neutrons. L’étoile à neutrons la plus rapide que nous ayons jamais détectée est un pulsar qui tourne 766 fois par seconde : plus rapide que notre propre Soleil si nous le réduisions à la taille d’une étoile à neutrons. Indépendamment de leur vitesse de rotation, les étoiles à neutrons peuvent être les objets physiques les plus denses que la nature puisse créer sans progresser vers la formation d’une singularité, et elles ont généralement des températures de surface de plusieurs centaines de milliers de degrés.

Lorsque notre Soleil manquera de carburant, il deviendra une géante rouge, suivie d’une nébuleuse planétaire avec une naine blanche au centre. La nébuleuse de l’œil de chat est un exemple visuellement époustouflant de ce destin potentiel, car la forme complexe, stratifiée et asymétrique de cette nébuleuse particulière suggère la présence d’un compagnon binaire. Au centre, une jeune naine blanche se réchauffe en se contractant, atteignant des températures de plusieurs dizaines de milliers de kelvins plus chaudes que la surface de la géante rouge qui l’a engendrée. Les enveloppes extérieures de gaz se composent principalement d’hydrogène, qui est renvoyé dans le milieu interstellaire à la fin de la vie d’une étoile semblable au soleil.

Cette illustration montre certaines des plus grandes étoiles de l’univers, ainsi que les orbites de Saturne (ellipse brune) et de Neptune (ellipse bleue) à des fins de comparaison. Les étoiles, de gauche à droite, sont la plus grande géante bleue, la grande géante jaune, la géante orange, puis les deux plus grandes étoiles de toutes : la géante rouge UY Scuti et Stephenson 2-18. Les plus grandes étoiles ont un diamètre d’environ 2 000 fois celui de notre Soleil, mais les températures à la surface de ces étoiles vont de quelques milliers de Kelvin seulement aux étoiles Wolf-Rayet, avec des températures allant jusqu’à 200 000 Kelvins.

Cette exoplanète chaude de Jupiter sera beaucoup plus faible du côté nuit que du côté jour, car les vents transporteront des substances volatiles qui s’évaporent et s’ionisent pendant la journée, à mesure qu’elles se condensent, forment des nuages ​​et accélèrent la nuit. Le côté jour de Jupiter chaud peut atteindre des températures supérieures à 2 000 K, tandis que le côté nuit peut être beaucoup plus frais, avec des températures bien inférieures à 1 000 K.

En termes de taille, les mondes des géantes gazeuses sont nettement plus grands que n’importe laquelle des planètes telluriques. En termes de température, la distance à l’étoile mère est le facteur dominant pour la température d’une planète tant qu’elle ne produit pas trop de sa propre chaleur interne. Dans notre système solaire, un objet semblable à Pluton réside à environ 40 K, tandis que Vénus est la planète la plus chaude à 700+ K.

La nébuleuse de l’Aigle, célèbre pour sa formation continue d’étoiles, contient un grand nombre de globules de Bock ou nébuleuses sombres, qui ne se sont pas encore évaporées et travaillent à s’effondrer et à former de nouvelles étoiles avant de disparaître complètement. Ces endroits froids et sombres de l’espace, surtout lorsqu’aucune formation d’étoiles n’a lieu à l’intérieur, peuvent souvent atteindre des températures de 10 à 30 K, ce qui en fait l’un des endroits les plus froids de la galaxie.

À tout moment de notre histoire cosmique, tout observateur fera l’expérience d’un « bain » régulier de rayonnement multidirectionnel qui remonte au Big Bang. Aujourd’hui, de notre point de vue, il n’est qu’à 2,725 K au-dessus du zéro absolu, et est donc observé comme un fond d’onde cosmique, culminant aux fréquences micro-ondes. À de grandes distances cosmiques, lorsque nous regardons en arrière dans le temps, cette température était plus chaude en fonction du décalage vers le rouge de l’objet distant observé. Au cours de la nouvelle année, la température de rayonnement du CMB chute d’environ 0,2 nanokelvin et, dans plusieurs milliards d’années, elle deviendra si rouge qu’elle aura des fréquences radio plutôt que des micro-ondes.

La nébuleuse de l’Œuf, telle qu’elle est imagée ici par Hubble, est une nébuleuse préplanétaire, dont les couches externes n’ont pas encore été chauffées à des températures suffisantes par l’étoile centrale qui se rétrécit. Bien que similaire à bien des égards à la nébuleuse du Boomerang, elle est à une température beaucoup plus élevée en ce moment, bien qu’elle puisse se refroidir davantage à mesure que ses couches externes de gaz se dilatent au cours des prochains milliers d’années.

Carte de température à code couleur de la nébuleuse du Boomerang et des zones environnantes. Les régions bleues, qui sont plus étendues, sont les plus froides et les températures les plus basses, et certains endroits autour de la nébuleuse du Boomerang se situent entre 0,5 et 1,0 K : les températures naturelles les plus froides jamais enregistrées.

Cette image montre le détecteur ADMX extrait de l’appareil environnant, ce qui crée un grand champ magnétique pour induire des conversions de photons axiales. Le brouillard est causé par l’entrée réfrigérée en interaction avec l’air chaud et humide. Les expériences en laboratoire peuvent atteindre des températures de ~ nanokelvin ou même de picokelvin : bien plus froides que tout ce que l’on trouve dans l’univers normal.