¿Qué tan frío es el espacio interestelar?

La inmensidad del espacio me da una sensación de frialdad aunque nunca lo haya experimentado, aunque deseo hacerlo. ¿Qué tan frío es el espacio interestelar (en promedio)? ¿Cómo se mide esto? Quiero decir que no puedes pegar un termómetro en el espacio, ¿verdad?

Usted puede pegar un termómetro en el espacio, y si es una super-alta tecnología, es posible que le mostrará la temperatura del gas. Pero dado que el medio interestelar (ISM) es tan diluido, un termómetro normal irradiará energía más rápido de lo que puede absorberlo y, por lo tanto, no alcanzará el equilibrio térmico con el gas. Sin embargo, no se enfriará hasta 0 K, ya que la radiación cósmica de fondo de microondas no permitirá que se enfríe más de 2.7 K, como lo describe David Hammen.

El término "temperatura" es una medida de la energía promedio de las partículas de un gas (existen otras definiciones, por ejemplo, para un campo de radiación). Si el gas es muy delgado, pero las partículas se mueven a la misma velocidad promedio que, por ejemplo, en la superficie de la Tierra, todavía se dice que el gas tiene una temperatura de, por ejemplo, 27 ° C, o .$300\,\mathrm{K}$

El ISM consta de varias fases diferentes, cada una con sus propias características físicas y orígenes. Podría decirse que las tres fases más importantes son (véase, por ejemplo, Ferrière 2001 ):

Las estrellas nacen en densas nubes moleculares con temperaturas de solo 10-20 K. Para que se forme una estrella, el gas debe poder colapsar gravitacionalmente, lo que es imposible si los átomos se mueven demasiado rápido.

Las nubes moleculares mismas se forman a partir de gas que es neutral, es decir, no ionizado. Como la mayor parte del gas es hidrógeno, esto significa que tiene una temperatura de aproximadamente , por encima del cual el hidrógeno tiende a ionizarse.$10^4\,\mathrm{K}$

El gas que se acumula en la galaxia en sus primeras fases tiende a tener una temperatura mucho mayor, de aproximadamente . Además, la retroalimentación radiativa de las estrellas calientes (O y B) y la energía cinética y radiativa inyectada por las explosiones de supernovas ionizan y calientan las burbujas de gas que se expanden. Este gas comprende el medio ionizado caliente.$10^6\,\mathrm{K}$

La razón por la que el ISM está tan dividido en fases, en lugar de ser simplemente una mezcla suave de partículas de todo tipo de energías, es que el gas se enfría por diversos procesos físicos que tienen una eficiencia bastante específica de la temperatura. "Enfriamiento" significa convertir la energía cinética de las partículas en radiación que puede salir del sistema.

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

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

A temperaturas más bajas, el gas es casi completamente neutro, por lo que las recombinaciones dejan de tener influencia. Las colisiones entre los átomos de hidrógeno se vuelven demasiado débiles para excitar los átomos, pero si hay moléculas o metales presentes, es posible a través de líneas finas / hiperfinas y líneas rotacionales / vibratorias, respectivamente.

El enfriamiento total es la suma de todos estos procesos, pero estará dominado por uno o algunos procesos a una temperatura dada. Las siguientes figuras de Sutherland y Dopita (1993) muestran los principales procesos de enfriamiento (izquierda) y los principales elementos de enfriamiento ( derecha ), en función de la temperatura:

La línea gruesa muestra la velocidad de enfriamiento total. La siguiente figura, del mismo artículo, muestra la velocidad de enfriamiento total para diferentes metalicidades. La metalicidad es una escala logarítmica, por lo que [Fe / H] = 0 significa metalicidad solar, y [Fe / H] = –1 significa 0,1 veces metalicidad solar, mientras que "nulo" es metalicidad cero.

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

Entonces, para concluir, el espacio interestelar no es tan frío como puede pensar. Sin embargo, al ser extremadamente diluido, es difícil transferir calor, por lo que si abandonas tu nave espacial, irradiarás energía más rápido de lo que puedes absorberla del gas.

$^\dagger$ _{En astronomía, el término "metal" se refiere a todos los elementos que no son hidrógeno o helio, y "metalicidad" es la fracción de gas que consiste en metales.}

El título de la pregunta pregunta sobre el espacio interestelar, pero el cuerpo pregunta sobre el medio interestelar. Estas son dos preguntas muy diferentes. La temperatura del medio interestelar varía ampliamente, desde unas pocas Kelvin a más de diez millones de Kelvin. Según todos los informes, la gran mayoría del medio interestelar es al menos "cálido", donde "cálido" significa varios miles de grados Kelvin.

Quiero decir que no puedes pegar un termómetro en el espacio, ¿verdad?

Puedes hacerlo si tienes tecnología Star Trek o Star Wars . Suponiendo que un termómetro de bulbo de estilo antiguo lanzado en un lugar alejado de una estrella, la temperatura de ese termómetro caería bastante rápido, eventualmente estabilizándose en aproximadamente 2.7 kelvin.

Con respecto a un objeto macroscópico como un termómetro de estilo antiguo o un humano en un traje espacial, hay una gran diferencia entre la temperatura del espacio interestelar y la temperatura del medio interestelar. Incluso si el medio interestelar local está en millones de grados Kelvin, ese objeto macroscópico todavía se enfriará a alrededor de 2.7 grados Kelvin porque no hay sustancia en ese medio interestelar caliente. La densidad del medio interestelar es tan, muy baja que las pérdidas de radiación dominan por completo sobre la conducción del medio. El medio interestelar puede estar muy caliente precisamente porque es un gas (los gases son un poco raros) y porque es extremadamente tenue (los gases extremadamente tenues son más que raros).

Solo una complicación más. Es posible instalar "refrigeradores" en el espacio interestelar. Estas son situaciones que son efectivamente lo opuesto a los masers: los niveles de energía del material involucrado (en este caso, formaldehído) pueden terminar comportándose como si estuvieran más fríos que los alrededores. Como resultado, puede ver el formaldehído en absorción contra el fondo cósmico de microondas.

Otro ejemplo más del hecho de que, a las bajas densidades del espacio interestelar, hay que mirar los detalles de cómo se comportan los átomos y las moléculas individuales, porque solo están mal vinculados por colisiones con el entorno. Y eso genera algunos efectos geniales.

Este es un tema históricamente importante y creo que vale la pena agregar un poco sobre esta historia a las excelentes respuestas dadas anteriormente. La historia ilustra el significado físico de " temperatura del espacio ". En 1940, McKellar (PASP, vol. 52. p187) identificó algunas líneas interestelares extrañas, previamente vistas por Adams en 1939 en el espectro de una estrella, como líneas debido a la rotación de las moléculas CN y CH. Estas líneas eran en ese momento únicas.

Sus intensidades relativas solo podrían entenderse si la rotación (es decir, el giro) se debiera a las colisiones de las moléculas con los fotones a una temperatura de 2.7K. Un año después revisó esto a 2.3K. Por razones obvias, se refirió a esto como la " temperatura de rotación ": la temperatura derivada de las moléculas de rotación. Ninguna otra fuente se sugirió, y no fue hasta 1966, después del descubrimiento de la radiación de fondo cósmico, que la interpretación de McKellar estaba vinculada con la radiación de fondo cósmica a 2.725K. McKellar había encontrado un " termómetro en el espacio ".

Irónicamente, Hoyle en 1950 criticó la visión de Gamow de 1949 de un big bang caliente al decir que la teoría de Gamow proporcionaría una temperatura al espacio más alta que la permitida por el análisis de McKellar.

El fondo cósmico de los neutrinos está a una temperatura de ~ 1.95K, por debajo de la de los fotones de fondo cósmico a 2.7K. Aquí no hay inconsistencia porque esos neutrinos estuvieron una vez en equilibrio con los fotones justo antes de que los electrones aniquiladores calentaran los fotones (~ 1 segundo después del big bang). La pérdida de electrones provocó que los neutrinos se desacoplaran de los fotones en ese punto y ya no estuvieran en equilibrio.

Por lo tanto, la "temperatura del espacio" depende de si cita la temperatura del fotón o del neutrino, y lo que mida depende del tipo de termómetro que use. La curvatura del espacio-tiempo también se puede asociar con una temperatura, pero esa es otra historia.