Quanto è freddo lo spazio interstellare?

La vastità dello spazio mi dà un senso di freddo, anche se non l'ho mai provato, anche se lo desidero. Quanto è freddo lo spazio interstellare (in media)? Come viene misurato questo? Voglio dire, non puoi semplicemente attaccare un termometro nello spazio, giusto?

È possibile attaccare un termometro nello spazio, e se si tratta di un super-high-tech, potrebbe mostrare la temperatura del gas. Ma poiché il mezzo interstellare (ISM) è così diluito, un normale termometro irradierà energia più velocemente di quanto possa assorbirlo, e quindi non raggiungerà l'equilibrio termico con il gas. Non si raffredderà fino a 0 K, tuttavia, poiché la radiazione cosmica di fondo a microonde non gli consentirà di raffreddarsi oltre i 2,7 K, come descritto da David Hammen.

Il termine "temperatura" è una misura dell'energia media delle particelle di un gas (esistono altre definizioni, ad esempio per un campo di radiazione). Se il gas è molto sottile, ma le particelle si muovono alla stessa velocità media, diciamo, sulla superficie della Terra, si dice ancora che il gas abbia una temperatura, diciamo, di 27 ° C o .$300\,\mathrm{K}$

L'ISM è costituito da diverse fasi, ognuna con le proprie caratteristiche fisiche e origini. Probabilmente, le tre fasi più importanti sono (vedi ad esempio Ferrière 2001 ):

Le stelle nascono in fitte nuvole molecolari con temperature di soli 10-20 K. Per formare una stella, il gas deve essere in grado di collassare gravitazionalmente, il che è impossibile se gli atomi si muovono troppo velocemente.

Le nuvole molecolari stesse si formano da gas neutro, cioè non ionizzato. Poiché la maggior parte del gas è idrogeno, ciò significa che ha una temperatura di circa , sopra la quale l'idrogeno tende a ionizzarsi.$10^4\,\mathrm{K}$

Il gas che si accumula nella galassia nelle sue fasi iniziali tende ad avere una temperatura molto più grande, di circa . Inoltre, il feedback radiativo delle stelle calde (O e B) e l'energia cinetica e radiativa iniettata dalle esplosioni di supernova ionizzano e riscaldano le bolle di gas che si espandono. Questo gas comprende il mezzo ionizzato caldo.$10^6\,\mathrm{K}$

Il motivo per cui l'ISM è così nettamente diviso in fasi, al contrario di essere semplicemente una miscela regolare di particelle di ogni tipo di energia, è che il gas si raffredda attraverso vari processi fisici che hanno un'efficienza piuttosto specifica della temperatura. "Raffreddamento" significa convertire l'energia cinetica delle particelle in radiazioni in grado di lasciare il sistema.

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

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

A temperature più basse, il gas è quasi completamente neutro, quindi le ricombinazioni cessano di avere influenza. Le collisioni tra atomo di idrogeno diventano troppo deboli per eccitare gli atomi, ma se sono presenti molecole o metalli, è possibile attraverso linee sottili / iperfine e linee rotazionali / vibrazionali, rispettivamente.

Il raffreddamento totale è la somma di tutti questi processi, ma sarà dominato da uno o pochi processi a una data temperatura. Le figure seguenti di Sutherland & Dopita (1993) mostrano i principali processi di raffreddamento (a sinistra) e i principali elementi di raffreddamento (a destra ), in funzione della temperatura:

La linea spessa mostra la velocità di raffreddamento totale. La figura seguente, dalla stessa carta, mostra la velocità di raffreddamento totale per diversi metallizzati. La metallicità è una scala logaritmica, quindi [Fe / H] = 0 significa metallicità solare e [Fe / H] = –1 significa 0,1 volte la metallicità solare, mentre "zero" è zero metallizzazione.

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

Quindi, per concludere, lo spazio interstellare non è così freddo come potresti pensare. Tuttavia, essendo estremamente diluito, è difficile trasferire il calore, quindi se lasci l'astronave irradierai energia più velocemente di quanto tu possa assorbirla dal gas.

$^\dagger$

Il titolo della domanda pone domande sullo spazio interstellare, ma il corpo chiede sul mezzo interstellare. Queste sono due domande molto diverse. La temperatura del mezzo interstellare varia ampiamente, da pochi kelvin a oltre dieci milioni di kelvin. A detta di tutti, la stragrande maggioranza del mezzo interstellare è almeno "caldo", dove "caldo" significa diverse migliaia di kelvin.

Voglio dire, non puoi semplicemente attaccare un termometro nello spazio, giusto?

Puoi se hai la tecnologia Star Trek o Star Wars . Supponendo un termometro a bulbo vecchio stile rilasciato in un posto molto lontano da una stella, la temperatura di quel termometro sarebbe scesa piuttosto rapidamente, stabilizzandosi infine a circa 2,7 kelvin.

Per quanto riguarda un oggetto macroscopico come un termometro vecchio stile o un essere umano in una tuta spaziale, c'è una grande differenza tra la temperatura dello spazio interstellare e la temperatura del mezzo interstellare. Anche se il mezzo interstellare locale si trova tra i milioni di kelvin, quell'oggetto macroscopico si raffredderà fino a circa 2,7 kelvin perché non c'è sostanza in quel mezzo interstellare caldo. La densità del mezzo interstellare è così, molto bassa che le perdite di radiazione dominano completamente sulla conduzione dal mezzo. Il mezzo interstellare può essere molto caldo proprio perché è un gas (i gas sono un po 'strani) e perché è estremamente tenue (i gas estremamente tenui sono al di là di quelli strani).

Solo un'ulteriore complicazione. È possibile installare "frigoriferi" nello spazio interstellare. Queste sono situazioni che sono effettivamente l'opposto dei maser: i livelli di energia del materiale coinvolto (in questo caso, la formaldeide) possono finire per comportarsi come se fossero più freddi dell'ambiente circostante. Di conseguenza, è possibile vedere la formaldeide in assorbimento sullo sfondo cosmico a microonde.

Solo un altro esempio del fatto che, alle basse densità dello spazio interstellare, devi guardare i dettagli di come si comportano i singoli atomi e molecole, perché sono scarsamente collegati dalle collisioni con l'ambiente circostante. E questo produce alcuni effetti accurati.

Questa è una questione storicamente importante e penso che valga la pena aggiungere un po 'di questa storia alle eccellenti risposte fornite sopra. La storia illustra il significato fisico di " temperatura dello spazio ". Nel 1940, McKellar (PASP, vol 52. p187) identificò alcune strane linee interstellari, precedentemente viste da Adams nel 1939 nello spettro di una stella, come linee dovute alla rotazione di molecole CN e CH. Queste linee erano al momento uniche.

Le loro intensità relative potevano essere comprese solo se la rotazione (es. Spin) era dovuta alle collisioni delle molecole con i fotoni a una temperatura di 2,7 K. Un anno dopo lo ha rivisto a 2.3K. Per ovvie ragioni si riferiva a questa come " temperatura di centrifuga ": la temperatura derivata dalle molecole di filatura. Nessun'altra fonte si è suggerita, e solo nel 1966, dopo la scoperta della radiazione cosmica di fondo, l'interpretazione di McKellar era collegata alla radiazione cosmica di fondo a 2,725K. McKellar aveva trovato un " termometro nello spazio ".

Ironia della sorte, Hoyle nel 1950 ha criticato la visione di Gamow del 1949 su un big bang bollente affermando che la teoria di Gamow avrebbe fornito una temperatura più elevata nello spazio di quella consentita dall'analisi di McKellar.

Lo sfondo cosmico dei neutrini è a una temperatura di ~ 1,95 K, inferiore a quello dei fotoni di sfondo cosmico a 2,7 K. Non vi è alcuna incoerenza qui perché quei neutrini erano una volta in equilibrio con i fotoni appena prima che i fotoni venissero riscaldati dagli elettroni annichilanti (~ 1 secondo dopo il big bang). La perdita di elettroni ha causato il disaccoppiamento dei neutrini dai fotoni in quel punto e non sono più in equilibrio.

Quindi la "temperatura dello spazio" dipende dal fatto che tu citi la temperatura del fotone o del neutrino e che cosa misuri dipende dal tipo di termometro che usi. La curvatura dello spazio-tempo può anche essere associata a una temperatura, ma questa è un'altra storia.