Làm thế nào lạnh là không gian giữa các vì sao?

Sự rộng lớn của không gian mang lại cho tôi cảm giác ớn lạnh mặc dù tôi chưa bao giờ trải nghiệm nó, mặc dù tôi muốn. Làm thế nào lạnh là không gian giữa các vì sao (trung bình)? Làm thế nào điều này thậm chí được đo? Ý tôi là bạn không thể dán nhiệt kế trong không gian, phải không?

Bạn có thể dán nhiệt kế trong không gian, và nếu đó là một công nghệ siêu cao, nó có thể cho bạn thấy nhiệt độ của khí. Nhưng vì môi trường giữa các vì sao (ISM) rất loãng, một nhiệt kế bình thường sẽ tỏa năng lượng đi nhanh hơn khả năng hấp thụ của nó, và do đó nó sẽ không đạt được trạng thái cân bằng nhiệt với khí. Tuy nhiên, nó sẽ không hạ nhiệt xuống 0 K, vì bức xạ nền vi sóng vũ trụ sẽ không cho phép nó nguội hơn 2,7 K, như mô tả của David Hammen.

Thuật ngữ "nhiệt độ" là thước đo năng lượng trung bình của các hạt của khí (các định nghĩa khác tồn tại, ví dụ như đối với trường bức xạ). Nếu khí rất mỏng, nhưng các hạt chuyển động với tốc độ trung bình tương tự như ở bề mặt Trái đất, khí vẫn được cho là có nhiệt độ, giả sử, 27 độ C, hoặc .$300\,\mathrm{K}$

ISM bao gồm một số giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn có đặc điểm và nguồn gốc vật lý riêng. Có thể cho rằng, ba giai đoạn quan trọng nhất là (xem ví dụ Ferrière 2001 ):

Các ngôi sao được sinh ra trong các đám mây phân tử dày đặc với nhiệt độ chỉ 10-20 K. Để một ngôi sao hình thành, khí phải có khả năng sụp đổ trọng lực, điều này là không thể nếu các nguyên tử di chuyển quá nhanh.

Các đám mây phân tử tự hình thành từ khí trung tính, tức là không bị ion hóa. Vì hầu hết khí là hydro, điều này có nghĩa là nó có nhiệt độ khoảng , trên đó hydro có xu hướng bị ion hóa.$10^4\,\mathrm{K}$

Khí tích tụ vào thiên hà trong các giai đoạn đầu của nó có xu hướng có nhiệt độ lớn hơn nhiều, khoảng . Ngoài ra, phản hồi bức xạ từ các ngôi sao nóng (O và B), và động năng và năng lượng bức xạ được phun ra bởi vụ nổ siêu tân tinh làm ion hóa và bong bóng khí nóng nở ra. Khí này bao gồm môi trường ion hóa nóng.$10^6\,\mathrm{K}$

Lý do khiến ISM bị phân chia thành các pha rất mạnh, trái ngược với việc chỉ là một hỗn hợp mịn của các hạt của tất cả các loại năng lượng, là khí làm mát bởi các quá trình vật lý khác nhau có hiệu suất nhiệt độ khá cụ thể. "Làm mát" có nghĩa là chuyển đổi động năng của các hạt thành bức xạ có thể rời khỏi hệ thống.

Khí rất nóng bị ion hóa hoàn toàn do đó va chạm chủ yếu thông qua việc phát ra electron tự do Bremsstrahlung. Cơ chế này trở nên không hiệu quả dưới .$\sim10^6\,\mathrm{K}$

Trong khoảng và , tái tổ hợp (tức là các electron bị bắt bởi các ion) và kích thích va chạm và khử kích thích tiếp theo dẫn đến phát xạ, loại bỏ năng lượng khỏi hệ thống. Ở đây tính kim loại của khí rất quan trọng, vì các nguyên tố khác nhau có mức năng lượng khác nhau.10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

Ở nhiệt độ thấp hơn, khí gần như hoàn toàn trung tính, do đó tái hợp không còn ảnh hưởng. Sự va chạm giữa các nguyên tử hydro trở nên quá yếu để kích thích các nguyên tử, nhưng nếu có các phân tử hoặc kim loại, thì có thể thông qua các đường mịn / siêu mịn và các đường quay / rung tương ứng.

Tổng làm mát là tổng của tất cả các quá trình này, nhưng sẽ bị chi phối bởi một hoặc một vài quy trình ở nhiệt độ nhất định. Các hình dưới đây từ Sutherland & Dopita (1993) cho thấy các quá trình làm mát chính (trái) và các yếu tố làm mát chính ( phải ), như là một hàm của nhiệt độ:

Các dòng dày cho thấy tổng tốc độ làm mát. Hình dưới đây, từ cùng một tờ giấy, cho thấy tổng tốc độ làm mát cho các kim loại khác nhau. Tính kim loại là thang đo logarit, vì vậy [Fe / H] = 0 có nghĩa là kim loại mặt trời và [Fe / H] = HP1 có nghĩa là 0,1 lần kim loại mặt trời, trong khi "nil" là kim loại hóa bằng không.

Vì các quá trình này không bao gồm phạm vi nhiệt độ đầy đủ, khí sẽ có xu hướng đạt đến "cao nguyên" nhất định về nhiệt độ, tức là nó sẽ có xu hướng chiếm một số nhiệt độ cụ thể. Khi khí nguội đi, nó co lại. Từ phương trình khí lý tưởng, chúng ta biết rằng áp lực là tỷ lệ với sản phẩm của các mật độ và nhiệt độ . Nếu có trạng thái cân bằng áp suất trong ISM (không phải lúc nào cũng có, nhưng trong nhiều trường hợp là một giả định tốt), thì là không đổi, và do đó, nếu một lô khí ion hóa nóng nguội đi từ đến , nó phải hợp đồng để tăng mật độ của nó theo hệ sốn T n T 10 $P$$n$$T$$nT$10 $10^7\,\mathrm{K}$10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^3$. Do đó, các đám mây lạnh nhỏ hơn và dày đặc hơn, và theo cách này, ISM được chia thành các giai đoạn khác nhau.

Vì vậy, để kết luận, không gian giữa các vì sao không lạnh như bạn nghĩ. Tuy nhiên, cực kỳ loãng, rất khó truyền nhiệt, vì vậy nếu bạn rời tàu vũ trụ, bạn sẽ tỏa năng lượng nhanh hơn bạn có thể hấp thụ nó từ khí.

$^\dagger$ _{Trong thiên văn học, thuật ngữ "kim loại", dùng để chỉ tất cả các nguyên tố không phải là hydro hoặc heli và "tính kim loại" là một phần của khí bao gồm các kim loại.}

Tiêu đề của câu hỏi hỏi về không gian giữa các vì sao, nhưng cơ thể hỏi về môi trường liên sao. Đây là hai câu hỏi rất khác nhau. Nhiệt độ của môi trường liên sao rất khác nhau, từ một vài kelvins đến hơn mười triệu kelvins. Theo tất cả các tài khoản, phần lớn môi trường liên sao ít nhất là "ấm", trong đó "ấm" có nghĩa là vài nghìn kelvins.

Ý tôi là bạn không thể dán nhiệt kế trong không gian, phải không?

Bạn có thể nếu bạn có công nghệ Star Trek hoặc Star Wars . Giả sử một nhiệt kế bóng đèn kiểu cũ được phát hành ở một nơi cách xa ngôi sao, nhiệt độ của nhiệt kế đó sẽ giảm xuống khá nhanh, cuối cùng ổn định ở mức khoảng 2,7 kelvin.

Đối với một vật thể vĩ mô như nhiệt kế kiểu cũ hoặc con người trong một bộ đồ vũ trụ, có một sự khác biệt lớn giữa nhiệt độ của không gian giữa các vì sao và nhiệt độ của môi trường liên sao. Ngay cả khi môi trường giữa các vì sao nằm trong hàng triệu kelvins, vật thể vĩ mô đó vẫn sẽ nguội đến khoảng 2,7 kelvin vì không có chất nào trong môi trường liên sao nóng đó. Mật độ của môi trường liên sao rất, rất thấp đến nỗi tổn thất phóng xạ chiếm ưu thế hoàn toàn so với sự dẫn từ môi trường. Môi trường giữa các vì sao có thể rất nóng chính xác vì nó là một loại khí (khí hơi kỳ lạ) và bởi vì nó cực kỳ khó khăn (các loại khí cực kỳ khó hiểu là vượt quá kỳ lạ).

Chỉ cần một biến chứng nữa. Có thể thiết lập "tủ lạnh" trong không gian giữa các vì sao. Đây là những tình huống trái ngược hoàn toàn với thợ xây - mức năng lượng của vật liệu liên quan (trong trường hợp này là formaldehyd) có thể kết thúc như thể chúng mát hơn môi trường xung quanh. Kết quả là, bạn có thể thấy formaldehyd hấp thụ trên nền vi sóng vũ trụ.

Một ví dụ khác về thực tế là, ở mật độ thấp của không gian giữa các vì sao, bạn phải xem xét chi tiết về cách các nguyên tử và phân tử hoạt động, bởi vì chúng chỉ được liên kết kém bởi các va chạm với môi trường xung quanh. Và điều đó làm cho một số hiệu ứng gọn gàng.

Đây là một vấn đề quan trọng trong lịch sử và tôi nghĩ rằng đáng để thêm một chút về lịch sử này vào các phản hồi xuất sắc được đưa ra ở trên. Câu chuyện minh họa ý nghĩa vật lý của " nhiệt độ không gian ". Năm 1940, McKellar (PASP, tập 52. p187) đã xác định một số dòng liên sao lạ, được Adams nhìn thấy trước đó vào năm 1939 trong quang phổ của một ngôi sao, là các dòng do sự quay của các phân tử CN và CH. Những dòng này là duy nhất tại thời điểm đó.

Cường độ tương đối của chúng chỉ có thể được hiểu nếu sự quay (tức là spin) là do sự va chạm của các phân tử với photon ở nhiệt độ 2,7K. Một năm sau anh sửa nó thành 2,3K. Vì những lý do rõ ràng, ông gọi đây là " nhiệt độ quay ": nhiệt độ có nguồn gốc từ các phân tử kéo sợi. Không có nguồn nào khác tự đề xuất, và mãi đến năm 1966, sau khi phát hiện ra bức xạ nền vũ trụ, sự giải thích của McKellar được liên kết với bức xạ nền vũ trụ ở mức 2.725K. McKellar đã tìm thấy một " nhiệt kế trong không gian ".

Trớ trêu thay, Hoyle năm 1950 đã chỉ trích quan điểm năm 1949 của Gamow về một vụ nổ lớn nóng bỏng khi nói rằng lý thuyết Gamow sẽ cung cấp nhiệt độ cao hơn cho không gian so với phân tích của McKellar.

Nền vũ trụ của neutrino ở nhiệt độ ~ 1,95K, thấp hơn so với các photon nền vũ trụ ở mức 2,7K. Không có sự không nhất quán ở đây vì những neutrino đó đã từng ở trạng thái cân bằng với các photon ngay trước khi các photon bị đốt nóng bởi các electron hủy diệt (~ 1 giây sau vụ nổ lớn). Việc mất electron khiến neutrino tách ra khỏi các photon tại thời điểm đó và không còn ở trạng thái cân bằng.

Vì vậy, "nhiệt độ của không gian" phụ thuộc vào việc bạn trích dẫn nhiệt độ photon hay neutrino, và những gì bạn đo được phụ thuộc vào loại nhiệt kế bạn sử dụng. Độ cong của không gian thời gian cũng có thể liên quan đến nhiệt độ, nhưng đó là một câu chuyện khác.