Насколько холодно межзвездное пространство?

Пространство пространства приносит мне ощущение холода, хотя я никогда не испытывал его, хотя я бы хотел. Насколько холодно межзвездное пространство (в среднем)? Как это вообще измеряется? Я имею в виду, ты не можешь просто вставить термометр в космос, верно?

Вы можете поместить термометр в космос, и если он сверх-высокотехнологичный, он может показывать температуру газа. Но поскольку межзвездная среда (ISM) настолько разбавлена, обычный термометр будет излучать энергию быстрее, чем может ее поглотить, и, таким образом, он не достигнет теплового равновесия с газом. Однако он не будет полностью охлаждаться до 0 К, поскольку космическое микроволновое фоновое излучение не позволит ему остыть дальше, чем 2,7 К, как описано Дэвидом Хамменом.

Термин «температура» является мерой средней энергии частиц газа (существуют другие определения, например, для поля излучения). Если газ очень тонкий, но частицы движутся с той же средней скоростью, что и, скажем, на поверхности Земли, говорят, что газ все еще имеет температуру, скажем, 27º C или ,$300\,\mathrm{K}$

ISM состоит из нескольких различных фаз, каждая из которых имеет свои физические характеристики и происхождение. Возможно, три наиболее важных этапа (см., Например, Ferrière 2001 ):

Звезды рождаются в плотных молекулярных облаках с температурой всего 10-20 К. Чтобы звезда могла образоваться, газ должен иметь возможность гравитационного коллапса, что невозможно, если атомы движутся слишком быстро.

Сами молекулярные облака образуются из газа, который нейтрален, то есть не ионизирован. Поскольку большая часть газа представляет собой водород, это означает, что он имеет температуру примерно , выше которого водород имеет тенденцию ионизироваться.$10^4\,\mathrm{K}$

Газ, который накапливается в галактике в ее ранних фазах, имеет тенденцию иметь гораздо большую температуру, примерно . Кроме того, радиационная обратная связь от горячих звезд (O и B), а также кинетическая и радиационная энергия, излучаемая взрывами сверхновых, ионизируют и разогревают пузырьки газа, которые расширяются. Этот газ содержит горячую ионизированную среду.$10^6\,\mathrm{K}$

Причина того, что ISM так резко разделен на фазы, а не просто является гладкой смесью частиц всех видов энергий, заключается в том, что газ охлаждается различными физическими процессами, которые имеют довольно специфическую для температуры эффективность. «Охлаждение» означает преобразование кинетической энергии частиц в излучение, способное покинуть систему.

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

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

При более низких температурах газ практически полностью нейтрален, поэтому рекомбинации перестают оказывать какое-либо влияние. Столкновения между атомом водорода становятся слишком слабыми, чтобы возбуждать атомы, но если присутствуют молекулы или металлы, это возможно через тонкие / сверхтонкие линии и линии вращения / колебания, соответственно.

Общее охлаждение является суммой всех этих процессов, но будет доминировать один или несколько процессов при данной температуре. На рисунках ниже от Sutherland & Dopita (1993) показаны основные процессы охлаждения (слева) и основные элементы охлаждения ( справа ) в зависимости от температуры:

Толстая линия показывает общую скорость охлаждения. На рисунке ниже, из той же бумаги, показана общая скорость охлаждения для различных металличностей. Металличность представляет собой логарифмическую шкалу, поэтому [Fe / H] = 0 означает солнечную металличность, а [Fe / H] = –1 означает 0,1-кратную солнечную металличность, а «ноль» - нулевую металличность.

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

Итак, в заключение, межзвездное пространство не так холодно, как вы думаете. Тем не менее, будучи чрезвычайно разбавленным, трудно передавать тепло, поэтому, если вы покинете свой космический корабль, вы будете излучать энергию быстрее, чем сможете поглощать ее из газа.

$^\dagger$

Название вопроса спрашивает о межзвездном пространстве, но тело спрашивает о межзвездной среде. Это два совершенно разных вопроса. Температура межзвездной среды колеблется в широких пределах, от нескольких кельвинов до более десяти миллионов кельвинов. По общему мнению, подавляющее большинство межзвездной среды, по крайней мере, «теплое», где «теплое» означает несколько тысяч кельвинов.

Я имею в виду, ты не можешь просто вставить термометр в космос, верно?

Вы можете, если у вас есть технологии Star Trek или Star Wars . Если предположить, что ламповый термометр старого образца, выпущенный в месте, удаленном от звезды, температура этого термометра довольно быстро упадет, и в конечном итоге стабилизируется на уровне около 2,7 Кельвина.

Что касается макроскопического объекта, такого как термометр старого образца или человек в скафандре, существует большая разница между температурой межзвездного пространства и температурой межзвездной среды. Даже если локальная межзвездная среда находится в миллионах кельвинов, этот макроскопический объект все равно остынет до 2,7 кельвинов, потому что в этой горячей межзвездной среде нет вещества. Плотность межзвездной среды настолько очень, очень мала, что потери излучения полностью доминируют над проводимостью среды. Межзвездная среда может быть очень горячей именно потому, что она является газом (газы немного странные), и потому что она чрезвычайно ненадежна (чрезвычайно непрочные газы за пределами странности).

Еще одно осложнение. Можно установить «холодильники» в межзвездном пространстве. Это ситуации, которые по сути противоположны мазерам - энергетические уровни материала (в данном случае формальдегид) могут в конечном итоге вести себя так, как если бы они были холоднее окружающей среды. В результате вы можете увидеть поглощение формальдегида на фоне космического микроволнового излучения.

Еще один пример того, что при низких плотностях межзвездного пространства вы должны посмотреть на детали того, как ведут себя отдельные атомы и молекулы, потому что они только плохо связаны столкновениями с окружающей средой. И это делает некоторые аккуратные эффекты.

Это исторически важный вопрос, и я думаю, что стоит добавить немного об этой истории к превосходным ответам, приведенным выше. История иллюстрирует физический смысл « температуры пространства ». В 1940 г. МакКеллар (PASP, т. 52, с. 187) идентифицировал некоторые странные межзвездные линии, ранее замеченные Адамсом в 1939 г. в спектре звезды, как линии, обусловленные вращением молекул CN и CH. Эти линии были в то время уникальными.

Их относительные интенсивности могли быть поняты только в том случае, если вращение (т.е. вращение) происходило из-за столкновений молекул с фотонами при температуре 2,7К. Год спустя он пересмотрел это до 2.3K. По понятным причинам он назвал это « температурой вращения »: температурой, получаемой из вращающихся молекул. Ни один другой источник не предложил себя, и только в 1966 году, после открытия космического фонового излучения, интерпретация МакКеллара была связана с космическим фоновым излучением при 2.725K. МакКеллар нашел « термометр в космосе ».

По иронии судьбы, Хойл в 1950 году раскритиковал взгляд Гамова на «большой взрыв» в 1949 году, заявив, что теория Гамова обеспечит более высокую температуру в космосе, чем это позволяет анализ МакКеллара.

Космический фон нейтрино находится при температуре ~ 1.95K, ниже, чем у космических фоновых фотонов при 2.7K. Здесь нет противоречий, потому что эти нейтрино когда-то находились в равновесии с фотонами непосредственно перед тем, как фотоны нагревались от аннигилирующих электронов (~ 1 секунда после большого взрыва). Потеря электронов заставила нейтрино отделиться от фотонов в этой точке и больше не находится в равновесии.

Таким образом, «температура пространства» зависит от того, цитируете ли вы температуру фотона или нейтрино, а то, что вы измеряете, зависит от того, какой термометр вы используете. Кривизна пространства-времени также может быть связана с температурой, но это уже другая история.