Quando pensiamo allo spazio, ci immaginiamo un ambiente ostile in cui regnano l’oscurità e il vuoto; tuttavia, lo spazio non è solamente vuoto e freddo in maniera uniforme, ma presenta anche regioni estremamente diverse tra loro. Una delle domande più affascinanti che gli scienziati si sono posti è: qual è il luogo più freddo dell’universo che conosciamo? Sorprendentemente, questa ricerca ci porta a indagare fenomeni grandiosi, a fare paragoni con i freddi più estremi presenti sulla Terra e, infine, a esplorare gli esperimenti di laboratorio che spingono la temperatura verso il limite ultimo: lo zero assoluto.
Lo zero assoluto e la scala Kelvin
Per parlare di freddo estremo è necessario fare riferimento allo zero assoluto (0 K), che corrisponde a -273,15 °C. In questa condizione ideale, le particelle di un sistema avrebbero la minima energia cinetica possibile, cioè “smetterebbero” di muoversi. In natura, però, lo zero assoluto non è mai stato raggiunto, né tanto meno si ritiene sia possibile raggiungerlo in maniera perfetta, poiché le leggi della fisica quantistica impongono sempre un moto residuo alle particelle.
La temperatura dell’universo “medio”, misurata attraverso la radiazione cosmica di fondo, è di circa 2,7 K: già a questo valore siamo molto vicini ai limiti estremi che possiamo immaginare. Eppure esistono luoghi ancora più freddi: stelle morenti, nebulose che si espandono, laboratori sulla Terra dove si realizzano condizioni estreme.
Il Boomerang Nebula: la nebulosa più fredda conosciuta
Uno degli oggetti cosmici più affascinanti è la Boomerang Nebula, situata a circa 5.000 anni luce da noi nella costellazione del Centauro. Questa nebulosa deve il suo nome alla forma curiosa che mostra nelle immagini realizzate con telescopi terrestri e spaziali, ma è ben più celebre per un altro motivo: la sua temperatura stimata di circa 1 K, inferiore persino ai 2,7 K della radiazione cosmica di fondo.
Come è possibile che questo involucro di gas e polveri risulti più freddo del “fondo” dell’universo? Si ritiene che la stella al centro della Boomerang Nebula stia espellendo gas a velocità molto elevate, facendo espandere la nube circostante e portandola a un raffreddamento quasi estremo per effetto dell’espansione stessa (simile al principio dell’aria che si raffredda quando si espande rapidamente).
La Boomerang Nebula detiene così il primato di punto più freddo finora osservato: una finestra sul comportamento della materia in condizioni estreme.

I limiti di freddo sul nostro pianeta
I luoghi più freddi sulla Terra
Sulla Terra, le temperature più basse registrate in ambienti naturali si trovano in luoghi come l’Antartide. Presso la Stazione Vostok, gli scienziati hanno misurato -89,2 °C nel 1983, mentre da misurazioni satellitari si è arrivati a rilevare temperature superficiali anche inferiori a -93 °C. Nonostante siano valori estremi, rimangono molto distanti dallo zero assoluto.
I record in laboratorio
Ben altro discorso vale per i laboratori, dove si sfruttano tecnologie criogeniche e principi quantistici per raggiungere temperature più fredde di quelle riscontrabili in natura sulla Terra. Grazie a dispositivi come i dilution refrigerator (frigoriferi a diluizione) e tecniche di raffreddamento laser, è possibile arrivare a frazioni di millesimo di kelvin sopra lo zero assoluto. In questi esperimenti si studiano fenomeni fisici altrimenti impossibili da osservare a temperature più alte, come la superfluidità e la superconduttività estreme o la formazione di Bose-Einstein condensati.
Il freddo negli altri pianeti del Sistema Solare
La percezione comune è che pianeti lontani dal Sole debbano per forza essere freddissimi. In parte è vero, ma non è sempre così semplice, perché la temperatura di un pianeta dipende da numerosi fattori, fra cui atmosfera, composizione chimica e processi interni.
- Mercurio: benché sia il pianeta più vicino al Sole, su Mercurio si verificano le escursioni termiche più estreme del Sistema Solare: di giorno può superare i 400 °C, mentre di notte può scendere a circa -180 °C, a causa dell’assenza di un’atmosfera consistente.
- Marte: è più distante dal Sole e dotato di un’atmosfera molto sottile. La sua temperatura media si aggira intorno a -55 °C, ma può variare parecchio tra il giorno e la notte.
- Giove e Saturno: come giganti gassosi, presentano temperature in superficie e strati atmosferici decisamente sotto lo zero, ma la complessità dei fenomeni atmosferici interni, insieme alla presenza di fonti di calore interne, rende più variegato il quadro termico.
- Urano e Nettuno: sono tra i pianeti più freddi del Sistema Solare, con temperature che possono scendere ben sotto i -200 °C. In particolare, Urano è spesso indicato come il più freddo, con valori rilevati anche intorno a -224 °C nelle regioni superiori dell’atmosfera.
Nonostante queste temperature estreme, nessuno di questi pianeti riesce ad avvicinarsi ai valori registrati nella Boomerang Nebula. In generale, i pianeti del Sistema Solare non competono con la rarità di condizioni che si manifestano in determinati fenomeni astrofisici.
Gli esperimenti per creare il freddo estremo: alla ricerca del limite
Le tecnologie criogeniche hanno fatto passi da gigante, permettendoci di raggiungere frazioni di kelvin superiori allo zero assoluto con una precisione che continua a migliorare.
Dilution Refrigerator
Un esempio di come si raggiungano temperature prossime a pochi millikelvin è il dilution refrigerator, basato sulla miscelazione di isotopi di elio (elio-3 e elio-4). L’energia assorbita dal passaggio di elio-3 dalla fase concentrata a quella diluita nel bagno di elio-4 consente un raffreddamento progressivo. Questi apparecchi sono essenziali per ricerche in fisica della materia condensata, come lo studio dei qubit nei computer quantistici.
Raffreddamento laser e condensati di Bose-Einstein
Un’altra tecnica fondamentale è il raffreddamento laser, che sfrutta l’assorbimento e l’emissione di fotoni per rallentare il moto degli atomi. In condizioni adatte, si può arrivare alla creazione di condensati di Bose-Einstein (BEC), uno stato della materia previsto teoricamente da Albert Einstein e Satyendra Nath Bose, in cui gli atomi si trovano tutti nel medesimo stato quantistico. Questo fenomeno si verifica solamente a temperature prossime allo zero assoluto, tipicamente nell’ordine di nanokelvin.
Obiettivi futuri
Spingersi verso temperature sempre più basse non è soltanto una sfida tecnica, ma offre anche opportunità di scoperte in fisica fondamentale: lo studio di nuove forme di materia, la comprensione dell’entanglement quantistico, la realizzazione di prototipi di computer quantistici più stabili e potenti. Ogni progresso in questo campo getta luce su fenomeni ancora poco noti e pone nuove domande sulle leggi che governano il nostro universo.
Un fenomeno che va oltre il quotidiano
Il viaggio alla scoperta del punto più freddo dell’universo ci ha portato a incontrare la Boomerang Nebula, regina del gelo cosmico. Benché queste condizioni estreme possano sembrare irripetibili, i laboratori sulla Terra riescono a portare la materia a temperature talvolta persino inferiori a quelle misurate in sistemi astrofisici, sebbene sempre in volumi minuscoli e controllati.
Il confronto tra le temperature dei pianeti del Sistema Solare e le condizioni criogeniche sperimentali sottolinea come la natura disponga di una varietà di processi di raffreddamento: dall’espansione di gas interstellari su scala immensa, fino agli ingegnosi esperimenti umani che richiedono tecnologie sofisticate e conoscenze quantistiche all’avanguardia.
In definitiva, il freddo estremo è un fenomeno che va ben oltre il nostro quotidiano: è la chiave per comprendere alcuni dei processi più fondamentali dell’universo. E mentre gli astrofisici continuano a mappare oggetti celesti dal comportamento singolare, i fisici della materia spingono sempre più in basso il termometro, aggiungendo ogni giorno nuove tessere al mosaico della conoscenza umana.
Stefano Camilloni