อวกาศมีความเย็นแค่ไหน?

ความกว้างใหญ่ของอวกาศทำให้ฉันรู้สึกถึงความเยือกเย็นแม้ว่าฉันจะไม่เคยสัมผัสเลยถึงแม้ว่าฉันจะต้องการก็ตาม พื้นที่ระหว่างดวงดาวเย็นแค่ไหน (โดยเฉลี่ย)? วิธีนี้วัดได้อย่างไร ฉันหมายความว่าคุณไม่สามารถติดเทอร์โมมิเตอร์ในอวกาศใช่มั้ย

คุณสามารถติดเทอร์โมมิเตอร์ในอวกาศและถ้าเป็นเทคโนโลยี่ขั้นสูงมันอาจแสดงอุณหภูมิของก๊าซ แต่เนื่องจากตัวกลางระหว่างดวงดาว (ISM) นั้นเจือจางดังนั้นเทอร์โมมิเตอร์ปกติจะแผ่พลังงานออกไปเร็วกว่าที่มันสามารถดูดซับได้และดังนั้นมันจึงไม่ถึงสมดุลความร้อนกับก๊าซ อย่างไรก็ตามมันจะไม่ทำให้เย็นลงจนถึง 0 K เนื่องจากการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลจะไม่ยอมให้เย็นเกิน 2.7 K ตามที่อธิบายไว้โดย David Hammen

$300\,\mathrm{K}$

ISM ประกอบด้วยขั้นตอนที่แตกต่างกันหลายอย่างแต่ละตัวมีลักษณะทางกายภาพและต้นกำเนิดของตนเอง เนื้อหาที่สำคัญที่สุดสามขั้นตอนคือ (ดูเช่นFerrière 2001 ):

ดาวเกิดในเมฆโมเลกุลหนาแน่นที่มีอุณหภูมิเพียง 10-20 เคเพื่อให้ดาวก่อตัวก๊าซจะต้องสามารถยุบตัวลงด้วยแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นไปไม่ได้ถ้าอะตอมเคลื่อนที่เร็วเกินไป

$10^4\,\mathrm{K}$

$10^6\,\mathrm{K}$

เหตุผลที่ ISM นั้นถูกแบ่งออกเป็นระยะ ๆ อย่างชัดเจนเมื่อเทียบกับการผสมอนุภาคของพลังงานทุกประเภทอย่างราบรื่นนั่นก็คือก๊าซจะเย็นตัวลงโดยกระบวนการทางกายภาพต่างๆที่มีประสิทธิภาพค่อนข้างเฉพาะอุณหภูมิ "ความเย็น" หมายถึงการแปลงพลังงานจลน์ของอนุภาคเป็นรังสีที่สามารถออกจากระบบได้

$\sim10^6\,\mathrm{K}$

$10^4\,\mathrm{K}$$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

ที่อุณหภูมิต่ำกว่าก๊าซมีความเป็นกลางเกือบสมบูรณ์ดังนั้นการรวมตัวกันอีกครั้งจึงไม่มีผลใด ๆ การชนกันระหว่างอะตอมไฮโดรเจนนั้นอ่อนแอเกินกว่าที่จะกระตุ้นอะตอม แต่ถ้ามีโมเลกุลหรือโลหะอยู่ก็เป็นไปได้ผ่านทางเส้นละเอียด / ไฮเฟอร์ไลน์และเส้นหมุน / การสั่นสะเทือนตามลำดับ

การระบายความร้อนทั้งหมดคือผลรวมของกระบวนการทั้งหมดเหล่านี้ แต่จะถูกควบคุมโดยกระบวนการหนึ่งหรือสองสามที่อุณหภูมิที่กำหนด ตัวเลขด้านล่างจากSutherland & Dopita (1993)แสดงกระบวนการทำความเย็นหลัก (ซ้าย) และองค์ประกอบการทำความเย็นหลัก ( ขวา ) เป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ:

เส้นหนาแสดงอัตราการเย็นตัวทั้งหมด รูปด้านล่างจากกระดาษเดียวกันแสดงอัตราการระบายความร้อนโดยรวมสำหรับโลหะที่แตกต่างกัน ความเป็นโลหะเป็นระดับลอการิทึมดังนั้น [Fe / H] = 0 หมายถึงความเป็นโลหะของพลังงานแสงอาทิตย์และ [Fe / H] = –1 หมายถึง 0.1 เท่าความเป็นโลหะของพลังงานแสงอาทิตย์ในขณะที่ "ไม่มี" เป็นศูนย์ความเป็นโลหะ

$P$$n$$T$$nT$$10^7\,\mathrm{K}$$10^4\,\mathrm{K}$$10^3$

ดังนั้นเพื่อสรุปว่าช่องว่างระหว่างดวงดาวไม่เย็นอย่างที่คุณคิด อย่างไรก็ตามการเจือจางอย่างมากมันเป็นเรื่องยากที่จะถ่ายโอนความร้อนดังนั้นหากคุณออกจากยานอวกาศของคุณคุณจะแผ่พลังงานออกไปเร็วกว่าที่คุณสามารถดูดซับจากก๊าซ

$^\dagger$

ชื่อของคำถามถามเกี่ยวกับช่องว่างระหว่างดวงดาว แต่ร่างกายถามถึงสื่อระหว่างดวงดาว นี่เป็นคำถามสองข้อที่แตกต่างกันมาก อุณหภูมิของสื่อระหว่างดวงดาวนั้นแตกต่างกันไปอย่างมากตั้งแต่เคลวินเพียงไม่กี่ตัวจนถึงสิบล้านเคลวิน โดยบัญชีทั้งหมดส่วนใหญ่ของสื่อระหว่างดวงดาวนั้นอย่างน้อยก็คือ "อบอุ่น" ซึ่ง "อุ่น" หมายถึงเคลวินหลายพันตัว

ฉันหมายความว่าคุณไม่สามารถติดเทอร์โมมิเตอร์ในอวกาศใช่มั้ย

คุณสามารถถ้าคุณมีStar TrekหรือStar Warsเทคโนโลยี สมมติว่าเทอร์โมมิเตอร์กระเปาะแบบเก่าถูกปล่อยออกมาในสถานที่ห่างไกลจากดาวฤกษ์อุณหภูมิของเทอร์โมมิเตอร์นั้นจะลดลงอย่างรวดเร็วในที่สุดก็คงที่ประมาณ 2.7 เคลวิน

สำหรับวัตถุที่มีขนาดใหญ่เช่นเทอร์โมมิเตอร์แบบเก่าหรือมนุษย์ในชุดอวกาศนั้นมีความแตกต่างอย่างมากระหว่างอุณหภูมิของอวกาศระหว่างดวงดาวและอุณหภูมิของตัวกลางระหว่างดวงดาว แม้ว่าสื่อระหว่างดวงดาวในท้องถิ่นจะอยู่ในเคลวินเป็นล้าน ๆ ชิ้นวัตถุขนาดมหึมานั้นจะยังเย็นอยู่ที่ประมาณ 2.7 เคลวินเพราะไม่มีสารใด ๆ กับตัวกลางระหว่างดวงดาวนั้น ความหนาแน่นของสื่อระหว่างดวงดาวนั้นต่ำมากจนการสูญเสียการแผ่รังสีนั้นเหนือกว่าการนำความร้อนจากตัวกลาง สื่อระหว่างดวงดาวนั้นร้อนมากอย่างแม่นยำเพราะมันเป็นแก๊ส (แก๊สค่อนข้างแปลก) และเพราะมันมีความผอมบางมาก (ก๊าซที่บางมากเกินกว่าที่แปลก)

ภาวะแทรกซ้อนต่อไปเพียงหนึ่ง สามารถตั้งค่า "ตู้เย็น" ในอวกาศระหว่างดวงดาวได้ นี่คือสถานการณ์ที่ตรงข้ามกับเจ้านายอย่างมีประสิทธิภาพ - ระดับพลังงานของวัสดุที่เกี่ยวข้อง (ในกรณีนี้ฟอร์มัลดีไฮด์) สามารถจบลงได้ราวกับว่าพวกเขาเย็นกว่าสภาพแวดล้อม เป็นผลให้คุณสามารถดูฟอร์มาลดีไฮด์ในการดูดซึมกับพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล

อีกตัวอย่างหนึ่งของความจริงที่ว่าที่ความหนาแน่นต่ำของอวกาศระหว่างดวงดาวคุณต้องดูรายละเอียดว่าอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวนั้นมีพฤติกรรมอย่างไรเพราะมันมีการเชื่อมโยงที่ไม่ดีโดยการชนกับสภาพแวดล้อม และนั่นก็ทำให้เอฟเฟ็กต์เรียบร้อย

นี่เป็นปัญหาที่สำคัญทางประวัติศาสตร์และฉันคิดว่ามันคุ้มค่าที่จะเพิ่มประวัติศาสตร์เกี่ยวกับการตอบกลับที่ยอดเยี่ยมเล็กน้อย เรื่องราวแสดงให้เห็นถึงความหมายทางกายภาพของ " อุณหภูมิของอวกาศ " ในปีพ. ศ. 2483 McKellar (PASP, vol 52. p187) ระบุบางส่วนของดวงดาวที่แปลกประหลาดซึ่งเคยเห็นโดย Adams ในปี 1939 ในสเปกตรัมของดาวฤกษ์เนื่องจากเป็นเส้นที่เกิดจากการหมุนของโมเลกุล CN และ CH เส้นเหล่านี้เป็นเวลาที่ไม่ซ้ำกัน

ความเข้มสัมพัทธ์ของพวกมันสามารถเข้าใจได้ก็ต่อเมื่อการหมุน (เช่นการหมุน) เกิดจากการชนของโมเลกุลกับโฟตอนที่อุณหภูมิ 2.7K หนึ่งปีต่อมาเขาแก้ไขสิ่งนี้เป็น 2.3K ด้วยเหตุผลที่ชัดเจนเขาเรียกสิ่งนี้ว่า " อุณหภูมิการปั่น ": อุณหภูมิที่ได้จากโมเลกุลการปั่น ไม่มีแหล่งข้อมูลอื่นแนะนำตัวและมันก็ไม่เป็นเช่นนั้นจนกระทั่งปี 1966 หลังจากการค้นพบรังสีพื้นหลังของจักรวาลการตีความของ McKellar นั้นเชื่อมโยงกับรังสีพื้นหลังของจักรวาลที่ 2.725K McKellar พบ " เทอร์โมมิเตอร์ในอวกาศ "

กระแทกแดกดัน Hoyle ในปี 1950 วิพากษ์วิจารณ์มุมมองของบิ๊กแบงร้อน Gamow ของโดยบอกว่าทฤษฎี Gamow จะให้อุณหภูมิที่สูงขึ้นไปยังพื้นที่กว่าที่ได้รับอนุญาตจากการวิเคราะห์ของ McKellar

พื้นหลังของจักรวาลของนิวตริโนอยู่ที่อุณหภูมิประมาณ 1.95K ด้านล่างของโฟตอนพื้นหลังของจักรวาลที่ 2.7K ไม่มีความไม่ลงรอยกันที่นี่เพราะนิวตริโนเหล่านั้นเคยอยู่ในสภาวะสมดุลกับโฟตอนก่อนที่โฟตอนจะถูกทำให้ร้อนโดยอิเล็กตรอนที่ทำลายล้าง (ประมาณ 1 วินาทีหลังจากบิ๊กแบง) การสูญเสียอิเล็กตรอนทำให้นิวตริโนลดลงจากโฟตอนที่จุดนั้นและไม่อยู่ในสภาวะสมดุลอีกต่อไป

ดังนั้น "อุณหภูมิของอวกาศ" ขึ้นอยู่กับว่าคุณอ้างอิงอุณหภูมิโฟตอนหรือนิวตริโนและสิ่งที่คุณวัดนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของเทอร์โมมิเตอร์ที่คุณใช้ ความโค้งของเวลาอวกาศสามารถเชื่อมโยงกับอุณหภูมิ แต่นั่นเป็นอีกเรื่องหนึ่ง