Wie kalt ist der interstellare Raum?

Die Weite des Weltraums bringt mir ein Gefühl der Kälte, obwohl ich es noch nie erlebt habe, obwohl ich es möchte. Wie kalt ist der interstellare Raum (im Durchschnitt)? Wie wird das überhaupt gemessen? Du kannst doch nicht einfach ein Thermometer in den Weltraum stecken, oder?

Sie können ein Thermometer in den Weltraum stecken, und wenn es ein Super-High-Tech-Thermometer ist, zeigt es Ihnen möglicherweise die Temperatur des Gases an. Da das interstellare Medium (ISM) jedoch so verdünnt ist, strahlt ein normales Thermometer Energie schneller ab, als es aufnehmen kann, und erreicht somit kein thermisches Gleichgewicht mit dem Gas. Es wird jedoch nicht bis auf 0 K abkühlen, da die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung es nicht zulässt, dass es weiter als 2,7 K abkühlt, wie von David Hammen beschrieben.

Der Begriff "Temperatur" ist ein Maß für die mittlere Energie der Partikel eines Gases (andere Definitionen existieren zB für ein Strahlungsfeld). Wenn das Gas sehr dünn ist, sich aber Partikel mit der gleichen Durchschnittsgeschwindigkeit bewegen wie beispielsweise an der Erdoberfläche, soll das Gas immer noch eine Temperatur von beispielsweise 27 ° C oder 300 ° C haben .$300\,\mathrm{K}$

Das ISM besteht aus mehreren verschiedenen Phasen mit jeweils eigenen physikalischen Eigenschaften und Ursprüngen. Die drei wichtigsten Phasen sind wohl (siehe zB Ferrière 2001 ):

Sterne werden in dichten Molekülwolken mit Temperaturen von nur 10-20 K geboren. Damit sich ein Stern bildet, muss das Gas gravitativ kollabieren können, was unmöglich ist, wenn sich die Atome zu schnell bewegen.

Die Molekülwolken selbst bilden sich aus neutralem, dh nicht ionisiertem Gas. Da der größte Teil des Gases Wasserstoff ist, hat es eine Temperatur von ungefähr , oberhalb dessen Wasserstoff zur Ionisierung neigt.$10^4\,\mathrm{K}$

Gas, das in seinen frühen Phasen auf die Galaxie aufsteigt, hat in der Regel eine viel höhere Temperatur von ungefähr . Zusätzlich ionisieren die Strahlungsrückkopplung von den heißen Sternen (O und B) und die kinetische und Strahlungsenergie, die durch Supernovaexplosionen injiziert wird, und erhitzen Gasblasen, die sich ausdehnen. Dieses Gas umfasst das heiße ionisierte Medium.$10^6\,\mathrm{K}$

Der Grund dafür, dass das ISM so stark in Phasen unterteilt ist, dass es sich nicht nur um eine glatte Mischung aus Partikeln aller Art von Energien handelt, ist, dass sich Gas durch verschiedene physikalische Prozesse abkühlt, die einen eher temperaturspezifischen Wirkungsgrad aufweisen. "Kühlen" bedeutet die Umwandlung der kinetischen Energie von Partikeln in Strahlung, die das System verlassen kann.

Sehr heißes Gas ist vollständig kollisionsionisiert und kühlt daher hauptsächlich durch freie Elektronen emittierende Bremsstrahlung ab. Dieser Mechanismus wird unten ineffiziente .$\sim10^6\,\mathrm{K}$

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

Bei niedrigeren Temperaturen ist das Gas nahezu neutral, so dass Rekombinationen keinen Einfluss mehr haben. Kollisionen zwischen Wasserstoffatomen werden zu schwach, um die Atome anzuregen, aber wenn Moleküle oder Metalle vorhanden sind, ist dies durch feine / hyperfeine Linien bzw. Rotations- / Vibrationslinien möglich.

Die Gesamtkühlung ist die Summe aller dieser Prozesse, wird jedoch von einem oder mehreren Prozessen bei einer bestimmten Temperatur dominiert. Die folgenden Abbildungen von Sutherland & Dopita (1993) zeigen die Hauptkühlprozesse (links) und die Hauptkühlelemente ( rechts ) in Abhängigkeit von der Temperatur:

Die dicke Linie zeigt die Gesamtkühlrate. Die folgende Abbildung aus demselben Papier zeigt die Gesamtkühlrate für verschiedene Metallizitäten. Die Metallizität ist eine logarithmische Skala, so dass [Fe / H] = 0 die Sonnenmetallizität und [Fe / H] = –1 das 0,1-fache der Sonnenmetallizität bedeutet, während "Null" die Nullmetallizität ist.

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

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der interstellare Raum nicht so kalt ist, wie Sie vielleicht denken. Da es jedoch extrem verdünnt ist, ist es schwierig, Wärme zu übertragen. Wenn Sie Ihr Raumschiff verlassen, strahlen Sie Energie schneller ab, als Sie sie vom Gas absorbieren können.

$^\dagger$

Der Titel der Frage fragt nach dem interstellaren Raum, der Körper nach dem interstellaren Medium. Dies sind zwei sehr unterschiedliche Fragen. Die Temperatur des interstellaren Mediums variiert stark von einigen Kelvin bis über zehn Millionen Kelvin. In jedem Fall ist die überwiegende Mehrheit des interstellaren Mediums mindestens "warm", wobei "warm" mehrere tausend Kelvin bedeutet.

Du kannst doch nicht einfach ein Thermometer in den Weltraum stecken, oder?

Sie können, wenn Sie Star Trek oder Star Wars- Technologie haben. Angenommen, ein Glühlampenthermometer alten Stils wird an einem weit von einem Stern entfernten Ort herausgebracht. Die Temperatur dieses Thermometers würde ziemlich schnell abfallen und sich schließlich bei etwa 2,7 Kelvin stabilisieren.

In Bezug auf ein makroskopisches Objekt wie ein Thermometer alten Stils oder einen Menschen in einem Raumanzug besteht ein großer Unterschied zwischen der Temperatur des interstellaren Raums und der Temperatur des interstellaren Mediums. Selbst wenn sich das lokale interstellare Medium in Millionen von Kelvin befindet, wird dieses makroskopische Objekt immer noch auf etwa 2,7 Kelvin abkühlen, da dieses heiße interstellare Medium keine Substanz enthält. Die Dichte des interstellaren Mediums ist so sehr, sehr gering, dass die Strahlungsverluste die Leitung des Mediums vollständig dominieren. Das interstellare Medium kann sehr heiß sein, gerade weil es ein Gas ist (Gase sind etwas seltsam) und weil es extrem dünn ist (extrem dünne Gase sind mehr als seltsam).

Nur eine weitere Komplikation. Es ist möglich, "Kühlschränke" im interstellaren Raum aufzustellen. Dies sind Situationen, die im Grunde genommen das Gegenteil von Masern sind - die Energieniveaus des betreffenden Materials (in diesem Fall Formaldehyd) können sich so verhalten, als wären sie kühler als die Umgebung. Infolgedessen können Sie Formaldehyd in der Absorption gegen den kosmischen Mikrowellenhintergrund sehen.

Ein weiteres Beispiel für die Tatsache, dass man sich bei den geringen Dichten des interstellaren Raums die Details des Verhaltens einzelner Atome und Moleküle ansehen muss, da sie nur schlecht durch Kollisionen mit der Umgebung verbunden sind. Und das sorgt für ein paar nette Effekte.

Dies ist ein historisch wichtiges Thema, und ich denke, es lohnt sich, ein bisschen mehr über diese Geschichte zu den hervorragenden Antworten hinzuzufügen, die oben gegeben wurden. Die Geschichte zeigt die physikalische Bedeutung von " Raumtemperatur ". Im Jahr 1940 identifizierte McKellar (PASP, Bd. 52, S. 187) einige seltsame interstellare Linien, die Adams 1939 im Spektrum eines Sterns als Linien aufgrund der Rotation von CN- und CH-Molekülen entdeckte. Diese Linien waren zu der Zeit einzigartig.

Ihre relativen Intensitäten könnten nur verstanden werden, wenn die Rotation (dh der Spin) auf die Kollisionen der Moleküle mit Photonen bei einer Temperatur von 2,7 K zurückzuführen wäre. Ein Jahr später überarbeitete er dies auf 2.3K. Aus offensichtlichen Gründen bezeichnete er dies als " Spinntemperatur ": die Temperatur, die von sich drehenden Molekülen herrührt. Keine andere Quelle bot sich an, und erst 1966, nach der Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung, wurde McKellars Interpretation mit der kosmischen Hintergrundstrahlung bei 2,725 K verknüpft. McKellar hatte ein " Thermometer im Weltraum " gefunden.

Ironischerweise kritisierte Hoyle 1950 Gamows Ansicht von 1949 über einen heißen Urknall, indem er sagte, dass die Gamow-Theorie dem Raum eine höhere Temperatur verleihen würde, als es McKellars Analyse erlaubte.

Der kosmische Hintergrund von Neutrinos hat eine Temperatur von ~ 1,95 K und liegt damit unter der Temperatur der kosmischen Hintergrundphotonen bei 2,7 K. Hier gibt es keine Inkonsistenz, da diese Neutrinos sich einmal im Gleichgewicht mit den Photonen befanden, kurz bevor die Photonen durch die vernichtenden Elektronen erhitzt wurden (~ 1 Sekunde nach dem Urknall). Durch den Elektronenverlust entkoppelten sich die Neutrinos zu diesem Zeitpunkt von den Photonen und befinden sich nicht mehr im Gleichgewicht.

Die "Raumtemperatur" hängt also davon ab, ob Sie die Photonen- oder die Neutrinotemperatur angeben, und was Sie messen, hängt davon ab, welche Art von Thermometer Sie verwenden. Die Krümmung der Raumzeit kann auch mit einer Temperatur in Verbindung gebracht werden, aber das ist eine andere Geschichte.