Astronomie

Warum ist der Boomerangnebel kälter als der CMB?

Warum ist der Boomerangnebel kälter als der CMB?

In einer früheren Antwort zur Temperatur wurde erwähnt, dass die Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) beträgt $2.4,{ mK}$ und die Temperatur des Boomerang-Nebels as ${ m 1,K}$. Wie kühlte der Nebel schneller ab als der CMB?


Der Boomerang-Nebel (oder Bow Tie-Nebel) ist eine Gaswolke, die von einem sterbenden Stern mit geringer Masse ausgestoßen wird $164~mathrm{km}~mathrm{s}^{-1}$ (vgl. Raghvendra Sahai und Lars-Åke Nyman: Der Bumerangnebel: Die kälteste Region des Universums?). Wenn sich ein Gas ausdehnt, kühlt es im Allgemeinen ab (siehe ausführliche Erklärung unten). Wenn das Gas wäre optisch dünn zum CMB - das heißt, wenn er ausreichend verdünnt wäre, damit CMB-Photonen leicht eindringen könnten - würde er schnell wieder auf die Temperatur des CMB, dh 2,7 K erwärmt Hatte noch keine Zeit, es zu erhitzen. Die Temperatur in seinen äußeren Teilen ist jedoch höher, und wenn sich der Nebel weiter ausdehnt, wird er schließlich (auf Zeitskalen von beispielsweise 1000 Jahren) nicht nur vom CMB, sondern auch vom zentralen Weißen Zwerg, dh der Überrest des Sterns, der den Nebel erzeugte.

Warum kühlt ein expandierendes Gas ab?

Der übliche Ansatz, dies zu erklären, besteht darin, ein Gas in einem Kolben zu betrachten. Wenn das Volumen vergrößert wird, arbeiten die Gasmoleküle am Kolben und verlieren dadurch Energie, sodass die Temperatur sinkt. Im Fall des Boomerang-Nebels gibt es jedoch keine Wände, an denen das Gas arbeiten kann.

Kosmologisch dehnt sich der Nebel ziemlich schnell aus (er dehnt sich "nur" seit ~1500 Jahren aus). Unter der Annahme, dass es keine Zeit hat, Energie mit seiner Umgebung auszutauschen, ist die Expansion also adiabatisch. Für ein ideales Gas, das einer reversiblen adiabatischen Expansion (oder Kontraktion) unterliegt, wissen wir, dass $$P V^gamma = mathrm{konstante},$$ wo $P$ und $V$ sind der Druck bzw. das Volumen des Gases und $gamma$ ist der adiabatischer Index. Für ein einatomiges Gas gilt: $gamma = 5/3$, aber hier gibt es wohl auch Moleküle, also wohl etwas höher. Auf jeden Fall höher als $1$, was für uns das Wichtigste ist, wie wir weiter unten sehen werden.

Jetzt die Temperatur $T$ des Gases erhält man aus dem idealen Gasgesetz: $$P V = N k_ extrm{B} T.$$ Hier, $N$ die Gesamtzahl der Teilchen ist und $k_mathrm{B} = 1,38 imes10^{-16}~mathrm{erg}~mathrm{K}^{-1}$ ist eine Konstante (Boltzmanns, um genau zu sein). Selbst für nicht ideale Gase ist diese Beziehung normalerweise eine ziemlich gute Näherung. Wenn wir diese beiden Gleichungen kombinieren, sehen wir, dass $$T V^{gamma-1} = mathrm{konstante},$$ und da $gamma gt 1$, es ist offensichtlich, dass wenn $V$ imFalten, $T$ Muss deFalte.