Jak zimno jest przestrzeń międzygwiezdna?

Ogrom przestrzeni daje mi poczucie chłodu, chociaż nigdy go nie doświadczyłem, chociaż tego chcę. Jak zimna jest przestrzeń międzygwiezdna (średnio)? Jak to w ogóle mierzy się? Mam na myśli, że nie możesz po prostu postawić termometru w kosmosie, prawda?

Państwo może trzymać termometr w przestrzeni, a jeśli jest to jeden super-high-tech, to może pokazać temperaturę gazu. Ponieważ jednak ośrodek międzygwiezdny (ISM) jest tak rozcieńczony, normalny termometr wypromieniuje energię szybciej niż może go pochłonąć, a zatem nie osiągnie równowagi termicznej z gazem. Jednak nie ostygnie aż do 0 K, ponieważ kosmiczne promieniowanie mikrofalowe tła nie pozwoli mu ostygnąć dalej niż 2,7 K, jak opisał David Hammen.

$300\,\mathrm{K}$

ISM składa się z kilku różnych faz, z których każda ma własne cechy fizyczne i pochodzenie. Prawdopodobnie trzy najważniejsze fazy to (patrz np. Ferrière 2001 ):

Gwiazdy rodzą się w gęstych obłokach molekularnych o temperaturze zaledwie 10-20 K. Aby gwiazda mogła się uformować, gaz musi zapaść się grawitacyjnie, co jest niemożliwe, jeśli atomy poruszają się zbyt szybko.

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

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

Powodem, dla którego ISM jest tak ostro podzielony na fazy, w przeciwieństwie do tego, że jest gładką mieszaniną cząstek różnego rodzaju energii, jest to, że gaz chłodzi się w wyniku różnych procesów fizycznych o wydajności specyficznej dla temperatury. „Chłodzenie” oznacza przekształcanie energii kinetycznej cząstek w promieniowanie, które może opuścić układ.

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

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

W niższych temperaturach gaz jest prawie całkowicie neutralny, więc rekombinacje przestają mieć jakikolwiek wpływ. Zderzenia między atomem wodoru stają się zbyt słabe, aby wzbudzać atomy, ale jeśli obecne są cząsteczki lub metale, jest to możliwe odpowiednio przez linie cienkie / bardzo cienkie oraz linie obrotowe / wibracyjne.

Całkowite chłodzenie jest sumą wszystkich tych procesów, ale będzie zdominowane przez jeden lub kilka procesów w danej temperaturze. Poniższe liczby z Sutherland & Dopita (1993) pokazują główne procesy chłodzenia (po lewej) i główne elementy chłodzenia (po prawej ), w zależności od temperatury:

Gruba linia pokazuje całkowitą szybkość chłodzenia. Poniższy rysunek z tego samego papieru pokazuje całkowitą szybkość chłodzenia dla różnych metaliczności. Metaliczność jest skalą logarytmiczną, więc [Fe / H] = 0 oznacza metaliczność Słońca, a [Fe / H] = –1 oznacza 0,1 razy metaliczność Słońca, natomiast „zero” oznacza metaliczność zerową.

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

Podsumowując, przestrzeń międzygwiezdna nie jest tak zimna, jak mogłoby się wydawać. Jednak będąc wyjątkowo rozcieńczonym, trudno jest przenosić ciepło, więc jeśli opuścisz swój statek kosmiczny, będziesz promieniował energią szybciej, niż będziesz w stanie pochłonąć ją z gazu.

$^\dagger$

Tytuł pytania dotyczy przestrzeni międzygwiezdnej, ale ciało pyta o ośrodek międzygwiezdny. To są dwa bardzo różne pytania. Temperatura ośrodka międzygwiezdnego jest bardzo zróżnicowana, od kilku kelwinów do ponad dziesięciu milionów kelwinów. Według wszystkich relacji zdecydowana większość ośrodka międzygwiezdnego jest co najmniej „ciepła”, gdzie „ciepło” oznacza kilka tysięcy kelwinów.

Mam na myśli, że nie możesz po prostu postawić termometru w kosmosie, prawda?

Możesz, jeśli masz technologię Star Trek lub Star Wars . Zakładając, że termometr z żarówką w starym stylu został zwolniony w miejscu odległym od gwiazdy, temperatura tego termometru spadłaby raczej szybko, ostatecznie stabilizując się na poziomie około 2,7 kelwina.

W odniesieniu do obiektu makroskopowego, takiego jak termometr w starym stylu lub człowiek w skafandrze kosmicznym, istnieje duża różnica między temperaturą przestrzeni międzygwiezdnej a temperaturą ośrodka międzygwiezdnego. Nawet jeśli lokalne medium międzygwiezdne znajduje się w milionach kelwinów, ten makroskopowy obiekt nadal będzie chłodzić do około 2,7 kelwina, ponieważ nie ma substancji w tym gorącym ośrodku międzygwiezdnym. Gęstość ośrodka międzygwiezdnego jest tak bardzo, bardzo mała, że ​​straty promieniowania całkowicie dominują nad przewodzeniem z ośrodka. Ośrodek międzygwiezdny może być bardzo gorący właśnie dlatego, że jest gazem (gazy są trochę dziwne) i ponieważ jest niezwykle delikatny (wyjątkowo słabe gazy są bardziej dziwne).

Jeszcze jedna komplikacja. Możliwe jest ustawienie „lodówek” w przestrzeni międzygwiezdnej. Są to sytuacje, które faktycznie są przeciwieństwem maserów - poziomy energii zaangażowanego materiału (w tym przypadku formaldehydu) mogą ostatecznie zachowywać się tak, jakby były chłodniejsze niż otoczenie. W rezultacie można zobaczyć wchłanianie formaldehydu na tle kosmicznego mikrofalówki.

To tylko kolejny przykład faktu, że przy niskiej gęstości przestrzeni międzygwiezdnej musisz przyjrzeć się szczegółom zachowania poszczególnych atomów i cząsteczek, ponieważ są one słabo powiązane przez zderzenia z otoczeniem. I to powoduje pewne schludne efekty.

To historycznie ważna kwestia i myślę, że warto dodać trochę o tej historii do doskonałych odpowiedzi podanych powyżej. Historia ilustruje fizyczne znaczenie „ temperatury kosmosu ”. W 1940 r. McKellar (PASP, tom 52. str. 187) zidentyfikował niektóre dziwne linie międzygwiezdne, wcześniej widoczne przez Adamsa w 1939 r. W widmie gwiazdy, jako linie wynikające z rotacji cząsteczek CN i CH. Linie te były wówczas wyjątkowe.

Ich względne intensywności można zrozumieć tylko wtedy, gdy obrót (tj. Spin) jest spowodowany zderzeniami cząsteczek z fotonami w temperaturze 2,7 K. Rok później skorygował to do 2,3 tys. Z oczywistych powodów nazwał to „ temperaturą wirowania ”: temperaturą pochodzącą z wirujących cząsteczek. Żadne inne źródło się nie zasugerowało i dopiero w 1966 roku, po odkryciu kosmicznego promieniowania tła, interpretacja McKellara była powiązana z kosmicznym promieniowaniem tła o temperaturze 2,725 K. McKellar znalazł „ termometr w kosmosie ”.

Jak na ironię, Hoyle w 1950 r. Skrytykował pogląd Gamowa z 1949 r. Na temat wielkiego wybuchu, twierdząc, że teoria Gamowa zapewni wyższą temperaturę w przestrzeni kosmicznej niż pozwala na to analiza McKellara.

Kosmiczne tło neutrin ma temperaturę ~ 1,95 K, niższą niż temperatura kosmicznych fotonów tła przy 2,7 ​​K. Nie ma tutaj niekonsekwencji, ponieważ te neutrina były kiedyś w równowadze z fotonami tuż przed tym, jak fotony zostały podgrzane przez anihilujące elektrony (~ 1 sekundę po Wielkim Wybuchu). Utrata elektronów spowodowała, że ​​neutrina odłączyły się od fotonów w tym punkcie i nie są już w równowadze.

Zatem „temperatura przestrzeni” zależy od tego, czy cytujesz temperaturę fotonu czy neutrina, a to, co mierzysz, zależy od tego, jakiego rodzaju termometru używasz. Krzywizna czasoprzestrzeni może być również związana z temperaturą, ale to inna historia.