宇宙中最冷的地方回飛棒星雲 -272 攝氏度是怎麼得出的？

前幾天看到NASA發布消息說通過ALMA和哈勃望遠鏡的觀測，發現了宇宙中最寒冷的地方，距離地球5000光年以外的回飛棒星雲，接近絕對零度的-272攝氏度。星雲的這個情形是怎麼被觀測到的？這個數據是怎麼得出來的？接近絕對零度這個星雲內是什麼樣的情形？

大致說一下。星雲中的一氧化碳分子會吸收宇宙微波背景輻射。ALMA這個望遠鏡可以觀測星雲中一氧化碳的兩條吸收譜線。而理論上，這兩條吸收線的強度比依賴於星雲的溫度。如果能精確的測量一氧化碳分子譜線強度，就可以推斷星雲的溫度。這個星雲是一個所謂的「前行星狀星雲」。這種星雲是小質量恆星進入死亡期，拋出外圍物質所致。觀測到的這個最寒冷的溫度，實際上是恆星拋出物的溫度。這些物質在被拋出後迅速膨脹對外做功，使得自身溫度非常有效的降低。

冒昧補充幾點:

首先,這個 Boomerang Nebula 低溫的發現是1997年的文章. The Boomerang Nebula: The Coldest Region of the Universe? 而最新ALMA和HST聯合觀測的文章 ALMA Observations of the Coldest Place in the Universe: The Boomerang Nebula 是通過高空間解析度以及靈敏度更準確的將低溫氣體定位在這個前行星狀星雲的外流處, 以及在更靠外的區域發現氣體被重新加熱.
星雲的這個情形是怎麼被觀測到的？

他們使用在智利的 SEST 15m (已退役)對Boomerang Nebula 觀測CO J=1-0 和 2-1. 發現J=2-1是發射線, 而CO J=1-0是吸收線, 而且吸收強度比背景塵埃連續譜更強. 這樣, CO J=1-0 只能是對著宇宙微波背景輻射吸收.

這個數據是怎麼得出來的？

在絕大多數情況下, CO在分子雲中都是發射線, 並且是碰撞激發主導. 此外 CO J=1 能級能量對應的溫度為5.5K, 其實對著2.73 K的微波背景輻射的吸收並不是非常有效. 而在這個外流氣體中出現了CO分子對CMB的吸收, 這是非常罕見的狀況, 也表明這是溫度過低的極端情況. 也可以說, 這部分對外絕熱膨脹做功冷卻的氣體實在太冷, 才能出現對CO的吸收.

此外, 即使得到多條CO能級發射, 在實際操作中也很難把溫度定的很準確, 這是因為對碰撞激發系統來說, 溫度, 密度, 以及輻射轉移(光學厚度)之間有很強的簡併, 得到的溫度只是一個很粗略的估計, 大多數情況下可以有量級的誤差. 然而這個區域是輻射激發主導, 並且從觀測到吸收線就已經有足夠證據證明其溫度低於微波背景輻射的 2.73 K, 因此模型給出的溫度即使有偏差, 只要依然低於2.73 K 就足夠合理.

此外, "前行星狀星雲" 是漸近巨星分支和行星狀星雲之間的狀態, 主要是1-8個太陽質量的小質量到中等質量恆星 (而並非只是小質量恆星) 接近死亡的時候所處於的一個短暫狀態(約1000年左右).