La temperatura es una magnitud escalar con la que se puede medir el calor medio de una sustancia o de cualquier otro sistema físico. La temperatura más baja que se puede alcanzar se denomina cero absoluto y se corresponde con -273.144 ºC (grado Celsius) o con 0 K (cero kelvin).
El cero absoluto, por tanto, sería un estado en el que la materia no contendría calor. Este estado deriva de la tercera ley de la termodinámica pero solo se ha podido alcanzar en teoría y no en la práctica.
El lugar más frío del Universo se ha encontrado, por ahora, en la nebulosa Boomerang, también conocida como nebulosa Pajarita, una protonebulosa planetaria cuya temperatura es de tan solo 1 K, 1 ºC por encima del cero absoluto.
De forma artificial, científicos del MIT (Massachusetts Institute of Technology) han conseguido enfriar átomos aislados de un gas de sodio-potasio hasta los 500 nanokelvins (0.0000005 K), y esta es la temperatura más baja jamás registrada, al menos por el momento.
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¿Por qué la nebulosa Boomerang es tan fría?
La nebulosa Boomerang se define como una protonebulosa planetaria. Se sitúa en la constelación de Centauro, a unos 5000 años luz de la Tierra. El nombre se lo dieron Keith Taylor y Mike Scarrot en 1980, pues su forma les recordaba a un boomerang.
También se conoce como nebulosa Pajarita (Bow Tie en inglés), pues su forma en observaciones posteriores con telescopios de mayor resolución mostraron una forma más simétrica y parecida a una pajarita o corbata de lazo. En la actualidad se ha observado con mayor detalle y su estructura real parece ser mucho más compleja.
Las protonebulosas planetarias se forman en estrellas relativamente pequeñas conocidas como enanas amarillas similares a nuestro Sol, y aparecen justo antes de que se conviertan en enanas blancas, la última etapa activa de estas estrellas antes de que mueran como enanas negras.
Por tanto, las protonebulosas planetarias se pueden considerar un estado bastante tardío en la evolución de una estrella. Duran muy poco tiempo y aparecen entre el final de la fase conocida como rama asintótica gigante (RAG), y la fase de nebulosa planetaria, casi al final de la vida de la estrella.
Algo similar le pasará al Sol cuando se aproxime su muerte. Durante la etapa principal de la vida estelar, en el núcleo de la estrella se va consumiendo hidrógeo en reacciones nucleares que lo van transformando en helio. El helio es más pesado que el hidrógeno y se va acumulando en el núcleo comprimiéndose cada vez más.
La capas de hidrógeno próximas al núcleo también se van comprimiendo, y todo este aumento de presión hace que la estrella se haga más luminosa. Pero las capas más externas quedan atrás de esta presión y comienzan a expandirse. La expansión no para hasta que la estrella aumenta varios cientos de veces su tamaño y se convierte en una gigante roja.
En el caso del Sol, cuando se transforme en gigante roja llegará a engullir la Tierra.
Durante la fase de gigante roja, la acumulación de helio en el núcleo llega a comprimirlo tanto que comienza a fusionarse y a formar carbono y otros elementos más pesados.
La reacción es muy rápida y energética, el helio se puede consumir en unos pocos cientos de millones de años, en comparación con la vida total de este tipo de estrellas que puede ser de varias decenas de miles de millones de años.
La formación de elementos más pesados provoca una mayor presión en el núcleo y este se va comprimiendo todavía más. Las capas más externas también se expanden más rápido y comienzan a expulsar grandes cantidades de gas.
El núcleo queda expuesto formando una enana blanca que ilumina el gas expulsado. Comienza así a formarse la protonebulosa planetaria con su aspecto característico como grandes nubes de gas.
La nebulosa del Boomerang se encuentra en esta fase en la que el gas de las capas externas de la estrella se están expandiendo rápidamente. La velocidad de expansión en la nebulosa Boomerang puede llegar hasta los 600 mil km/h, lo que genera un descenso muy brusco de la temperatura.
El efecto ocurre en cualquier gas comprimido que se expande. Con la expansión, la presión disminuye y el gas se enfría. A mayor expansión, más rápido es el descenso de temperatura. Este efecto es la base del funcionamiento de frigoríficos y congeladores domésticos que utilizan un compresor de gas para enfriar.
Y por este efecto la nebulosa del Boomerang es el lugar más frío del Universo, al menos que conozcamos. Su temperatura es de 1 K, tan solo 1 ºC por encima del cero absoluto.
La nebulosa del Boomerang está incluso más fría que la radiación de fondo de microondas, la radiación remanente del Big Bang, cuya temperatura media es de 2.76 K.
Si se compara con nebulosas similares, la nebulosa Boomerang está bastante más fría de lo que cabría esperar, y puede que se deba precisamente a la gran velocidad de expansión que experimenta, unas 100 veces más rápido que otras nebulosas.
La nebulosa Boomerang no solo es el lugar más frío del Universo, es el segundo objeto astronómico conocido cuya temperatura es inferior a la temperatura del fondo de microondas, el otro es el Supervacío de Eridanus o punto frío CMB, una región del fondo de microondas cuya temperatura es de 2.7 K, unos 70 µK inferior a la temperatura media del resto del fondo de microondas. Puede parecer poco, pero en estas escalas supone una gran diferencia.
La temperatura más baja conseguida en laboratorio
La nebulosa del Boomerang es el lugar más frío del Universo, es el objeto natural observado de menor temperatura, pero no es la menor temperatura conseguida. En la Tierra, en el año 2015, científicos del MIT consiguieron enfriar un gas de sodio y potasio hasta una temperatura de solo 500 nanoKelvins, esto es, 0.0000005 K.
En el Cold Atom Laboratory, a bordo de la Estación Espacial Internacional, se consiguió crear un condensado de Bose-Einstein a temperaturas ultra frías, aunque no llegaron a ser tan bajas como los resultados del MIT, es la temperatura más fría conseguida en el espacio.
