Несмотря на то, что оставшееся после Большого взрыва свечение создает радиационную ванну с температурой всего 2,725 К, в некоторых местах во Вселенной становится еще холоднее.
Ключевые выводы
- Независимо от того, куда вы отправитесь во Вселенной, есть некоторые источники энергии, от которых вы просто не сможете избавиться, например, космическое микроволновое фоновое излучение, оставшееся после горячего Большого взрыва.
- Даже в самых глубоких глубинах межгалактического пространства, в сотнях миллионов световых лет от любых звезд или галактик, это излучение все еще остается, нагревая все сущее до 2,725 К.
- Но почему-то во Вселенной есть места, где еще холоднее. Вот как сделать самые холодные места во всем космосе.
Когда мы говорим о глубинах космоса, у нас в голове возникает такая картина пустоты. Космос бесплоден, разрежен и в значительной степени лишен чего-либо, за исключением «островков» структуры, пронизывающих Вселенную. Расстояния между планетами огромны, измеряются миллионами километров, и эти расстояния относительно малы по сравнению со средним расстоянием между звездами, измеряемым в световых годах. Звезды сгруппированы в галактики, где они соединены газом, пылью и плазмой, хотя сами галактики разделены еще большими расстояниями.
Несмотря на космические расстояния, невозможно полностью защититься от других источников энергии во Вселенной. Что это означает для температур глубокого космоса? Эти вопросы были вдохновлены запросом сторонника Patreon Уильяма Блэра, который спрашивает:
«Я обнаружил эту маленькую жемчужину в [сочинениях Джерри Пурнелла]: «Эффективная температура космического пространства составляет около -200 градусов по Цельсию (73 К)». Не думаю, что это так, но я полагал, что вы наверняка знаете. Я прикинул, что это будет 3 или 4 К… Не могли бы вы меня просветить?»
Если вы будете искать в Интернете температуру космоса, вы найдете множество ответов: от нескольких градусов выше абсолютного нуля до более миллиона К, в зависимости от того, где и как вы смотреть. Когда дело доходит до температуры в глубинах космоса, наиболее определенно применимы три основных правила недвижимости: место, место и еще раз место.
Логарифмическая таблица расстояний, показывающая "Вояджер", нашу Солнечную систему, Облако Оорта и ближайшую к нам звезду: Проксима Центавра. Скачками в 10 раз мы переходим от орбиты Земли к орбите Сатурна к расстоянию «Вояджера-1» к внутреннему облаку Оорта к середине облака Оорта на расстояние более светового года, а затем вы достигаете Проксимы Центавра задолго до следующего коэффициент 10.
Первое, с чем приходится считаться, это разница между температурой и теплом. Если вы возьмете определенное количество тепловой энергии и добавите ее в систему частиц при абсолютном нуле, эти частицы ускорятся: они приобретут кинетическую энергию. Однако одно и то же количество тепла изменит температуру на очень разную величину в зависимости от того, сколько частиц в вашей системе. Для крайнего примера этого нам не нужно смотреть дальше атмосферы Земли.
Любой, кто когда-либо поднимался на гору, может подтвердить, что чем выше вы поднимаетесь, тем холоднее становится воздух вокруг вас. Это не из-за разницы в вашем расстоянии от излучающего свет Солнца или даже из-за излучающей тепло земли Земли, а скорее из-за разницы в давлении: при более низком давлении меньше тепла и меньше молекулярных столкновений. и поэтому температура падает.
Но когда вы поднимаетесь на большие высоты - в термосферу Земли - солнечное излучение с самой высокой энергией может расщепить молекулы на отдельные атомы, а затем выбить электроны из этих атомов, ионизируя их. Несмотря на то, что плотность частиц крошечная, энергия каждой частицы очень высока, и этим ионизированным частицам очень трудно отводить свое тепло. В результате, несмотря на то, что они несут лишь незначительное количество тепла, их температура огромна.
Многослойная атмосфера Земли вносит огромный вклад в развитие и устойчивость жизни на Земле. В термосфере Земли температура резко возрастает, достигая сотен и даже тысяч градусов. Однако общее количество тепла в атмосфере на таких больших высотах ничтожно мало; если бы ты сам туда поднялся, ты бы замерз, а не закипел.
Вместо того, чтобы полагаться на температуру самих частиц в какой-либо конкретной среде - поскольку это показание температуры будет зависеть от плотности и типа присутствующих частиц - более полезным будет задать вопрос: «Если Я (или любой объект, сделанный из обычной материи) находился в этой среде, какой температуры я в конце концов достигну, когда будет достигнуто равновесие?» В термосфере, например, несмотря на то, что температура колеблется в пределах 800-1700 °F (425-925 °C), правда в том, что в этой среде вы на самом деле очень быстро замерзнете насмерть.
Когда мы отправляемся в космос, важна не температура окружающей нас среды, а имеющиеся источники энергии и то, насколько хорошо они справляются со своей работой по нагреву. объекты, с которыми они соприкасаются. Если бы мы поднимались прямо до тех пор, пока не оказались в открытом космосе, например, то не тепло, излучаемое поверхностью Земли, и не частицы земной атмосферы доминировали бы над нашей температурой, а скорее излучение, исходящее от Солнца. Хотя существуют и другие источники энергии, в том числе солнечный ветер, именно полный спектр солнечного света, то есть электромагнитное излучение, определяет нашу равновесную температуру.
С его уникальной точки зрения в тени Сатурна видны атмосфера, главные кольца и даже внешнее кольцо E, а также видимые кольцевые промежутки системы Сатурна во время затмения. Кольца Сатурна и около 23 его внутренних спутников вращаются примерно в одной плоскости и с небольшим эксцентриситетом, но история начинает меняться, чем дальше вы смотрите.
Если бы вы находились в космосе, как любая планета, луна, астероид и т. д., ваша температура определялась бы тем значением, которым вы обладаете, при котором общее количество входящей радиации равнялось бы количеству радиации, которую вы излучали. излучаемый. Планета с:
- плотная, улавливающая тепло атмосфера,
- это ближе к источнику радиации,
- темнее по цвету,
- или который генерирует собственное внутреннее тепло,
обычно будет иметь более высокую равновесную температуру, чем планета с противоположным набором условий. Чем больше излучения вы поглощаете и чем дольше вы сохраняете эту энергию, прежде чем излучать ее, тем жарче вы будете.
Однако, если вы возьмете один и тот же объект и поместите его в разные места в пространстве, единственное, что будет определять его температуру, - это расстояние от всех различных источников тепла в его окрестностях. Независимо от того, где вы находитесь, именно ваше расстояние от того, что вас окружает - звезд, планет, газовых облаков и т. д. - определяет вашу температуру. Чем большее количество радиации падает на вас, тем жарче вы становитесь.
Отношение яркости к расстоянию и то, как поток от источника света падает как единица на квадрате расстояния. Спутник, находящийся в два раза дальше от Земли, чем другой, будет казаться на четверть ярче, но время прохождения света удвоится, а объем передаваемых данных также уменьшится на четверть. Гравитация, свет, звук и электромагнетизм уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния.
Для любого источника излучения существует простое соотношение, которое помогает определить, насколько ярким вам кажется этот источник излучения: яркость падает как единица на квадрате расстояния. Это значит:
- количество фотонов, воздействующих на вас,
- флокс, падающий на вас,
- и общее количество поглощенной вами энергии,
все уменьшаются по мере удаления от объекта, излучающего излучение. Удвойте расстояние, и вы получите только четверть радиации. Утройте, и вы получите только одну девятую. Увеличьте его в десять раз, и вы получите лишь одну сотую исходного излучения. Или вы можете отправиться в тысячу раз дальше, и вас поразит мизерная миллионная доля радиации.
Здесь, на расстоянии Земли от Солнца - 93 миллиона миль или 150 миллионов километров - мы можем рассчитать, какой будет температура для объекта с таким же спектром отражения/поглощения, как у Земли, но без атмосферы, чтобы сохранять тепло. Температура такого объекта была бы -6 ° F (-21 ° C), но, поскольку мы не любим иметь дело с отрицательными температурами, мы чаще говорим в терминах Кельвина, где эта температура будет ~ 252 К.
Сверхгорячие молодые звезды иногда могут образовывать джеты, как этот объект Хербига-Аро в туманности Ориона, всего в 1500 световых годах от нас в галактике. Излучение и ветры молодых массивных звезд могут оказывать сильное воздействие на окружающую материю, где мы также находим органические молекулы. Эти горячие области космоса излучают гораздо больше энергии, чем наше Солнце, нагревая объекты в их окрестностях до более высоких температур, чем может Солнце.
В большинстве мест Солнечной системы Солнце является основным источником тепла и излучения, а это означает, что оно является основным арбитром температуры в нашей Солнечной системе. Если бы мы поместили тот же объект, находящийся на расстоянии ~252 К на расстоянии Земли от Солнца, в месте расположения других планет, мы бы обнаружили, что его температура равна:
- Меркурий, 404 К,
- Венера, 297 К,
- Марс, 204 К,
- Юпитер, 111 К,
- Сатурн, 82 K,
- Уран, 58 К,
- и Нептун, 46 К.
Однако существует предел тому, насколько холодно вы можете замерзнуть, продолжая удаляться от Солнца. К тому времени, когда вы находитесь на расстоянии, превышающем расстояние от Земли до Солнца более чем в несколько сотен раз, или примерно на ~1% светового года от Солнца, воздействующее на вас излучение больше не исходит только от одного точечного источника.
Вместо этого вас начнет нагревать излучение других звезд галактики, а также (более низкоэнергетическое) излучение газов и плазмы в космосе. По мере удаления от Солнца вы начнете замечать, что ваша температура просто отказывается опускаться ниже ~10-20 К.
Темные пыльные молекулярные облака, подобные этому изображению Барнарда 59, части туманности Трубка, обнаруженной в пределах нашего Млечного Пути, со временем схлопнутся и породят новые звезды, с формированием самых плотных областей внутри самые массивные звезды. Однако, несмотря на то, что за ним находится великое множество звезд, звездный свет не может пробиться сквозь пыль; она поглощается до тех пор, пока большая часть самой туманности не станет ионизированной.
Между звездами в нашей галактике материя может находиться во всех видах фаз, включая твердые тела, газы и плазму. Три важных примера этой межзвездной материи:
- молекулярные облака газа, которые разрушатся только тогда, когда температура внутри этих облаков упадет ниже критического значения,
- теплый газ, в основном водород, который циркулирует из-за нагрева от звездного света,
- и ионизированная плазма, которая в основном возникает вблизи звезд и областей звездообразования, преимущественно вблизи самых молодых, самых горячих и самых голубых звезд.
В то время как температура плазмы обычно легко достигает ~1 миллиона К, а теплый газ обычно достигает температуры в несколько тысяч К, гораздо более плотные молекулярные облака обычно холодные, ~30 К или меньше..
Не дайте себя обмануть такими большими значениями температуры. Большая часть этого вещества невероятно разрежена и несет очень мало тепла; если бы вы поместили твердый объект, сделанный из обычной материи, в пространство, где существует эта материя, этот объект сильно остыл бы, излучая гораздо больше тепла, чем поглощая. В среднем температура межзвездного пространства, где вы все еще находитесь внутри галактики, находится между 10 К и «несколькими десятками» К, в зависимости от таких величин, как плотность газа и количество звезд поблизости.
Это изображение туманности Орла, полученное Гершелем, показывает самоизлучение очень холодного газа и пыли туманности, которое может уловить только глаз в дальнем инфракрасном диапазоне. Каждый цвет показывает разную температуру пыли: от примерно 10 градусов выше абсолютного нуля (10 градусов по Кельвину или минус 442 градуса по Фаренгейту) для красного до примерно 40 градусов по Кельвину или минус 388 градусов по Фаренгейту для синего. Столпы Творения являются одними из самых горячих частей туманности, как показывают эти длины волн.
Вы, вероятно, правильно слышали, что температура Вселенной составляет около 2,7 К, однако это гораздо более холодное значение, чем в большинстве мест по всей галактике. Это потому, что вы можете оставить большинство этих источников тепла позади, отправившись в нужное место во Вселенной. Вдали от всех звезд, вдали от существующих плотных или даже разреженных газовых облаков, между разреженной межгалактической плазмой, в самых разреженных областях ни один из этих источников тепла или излучения не имеет существенного значения.
Единственное, с чем остается бороться, это с одним неизбежным источником излучения во Вселенной: космическим микроволновым фоновым излучением, которое само по себе является остатком Большого Взрыва. При ~411 фотонах на кубический сантиметр, спектре черного тела и средней температуре 2,7255 К объект, оставленный в глубинах межгалактического пространства, все равно нагрелся бы до этой температуры. При самой низкой плотности, доступной во Вселенной сегодня, через 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, здесь очень холодно.
Реальный свет Солнца (желтая кривая слева) по сравнению с абсолютно черным телом (серым цветом), демонстрирующий, что Солнце представляет собой скорее серию черных тел из-за толщины его фотосферы; справа - реальное абсолютно черное тело реликтового излучения, измеренное спутником COBE. Обратите внимание, что «планки погрешностей» справа представляют собой поразительные 400 сигм; это демонстрирует, что реликтовое излучение не может быть вызвано отраженным звездным светом.
Только есть механизм, с помощью которого Вселенная, естественно, может проложить свой путь к еще более низким температурам. Всякий раз, когда у вас есть облако газа или плазмы, у вас есть возможность, независимо от его температуры, быстро изменить занимаемый им объем. Если вы быстро сокращаете объем, ваша материя нагревается; если вы быстро расширяете объем, ваша материя остывает. Из всех богатых газом и плазмой объектов, которые расширяются во Вселенной, быстрее всего это делают красные гиганты, выбрасывающие свои внешние слои: те, которые формируют предпланетные туманности.
Из всех наблюдаемых самая холодная туманность Бумеранг. Хотя в ее центре находится энергичная красная гигантская звезда, и два ее гигантских лепестка излучают как видимый, так и инфракрасный свет, расширяющийся материал, выбрасываемый звездой, охлаждается так быстро, что на самом деле его температура ниже космического микроволнового фона. В то же время из-за плотности и непрозрачности окружающей среды это излучение не может проникнуть внутрь, что позволяет этой туманности оставаться при температуре всего около 1 К, что делает ее самым холодным естественным местом в известной Вселенной. Вполне вероятно, что многие предпланетные туманности также холоднее, чем космический микроволновый фон, а это означает, что внутри галактик иногда бывают места, которые холоднее, чем самые глубокие глубины межгалактического пространства.
Цветное изображение туманности Бумеранг, полученное космическим телескопом Хаббл. Газ, выброшенный этой звездой, невероятно быстро расширился, что привело к адиабатическому охлаждению. Внутри него есть места, которые холоднее, чем даже оставшееся после Большого Взрыва свечение, достигая минимальной температуры около ~1 К, или всего лишь одной трети температуры космического микроволнового фона.
Если бы у нас был легкий доступ к глубочайшим глубинам межгалактического пространства, построить такую обсерваторию, как JWST, было бы намного проще. Пятислойный солнцезащитный козырек, пассивно охлаждающий телескоп примерно до ~40 К, был бы совершенно не нужен. Активный хладагент, который перекачивается и течет через внутреннюю часть телескопа, охлаждая оптику и инструмент среднего инфракрасного диапазона до температуры ниже ~ 7 К, был бы излишним. Все, что нам нужно было сделать, это поместить его в межгалактическое пространство, и он самостоятельно пассивно остыл до ~2,7 К.
Всякий раз, когда вы спрашиваете, какова температура космоса, вы не можете знать ответ, не зная, где вы находитесь и какие источники энергии воздействуют на вас. Не дайте себя обмануть чрезвычайно жаркой, но редкой средой; частицы там могут иметь высокую температуру, но они не согреют вас так сильно, как вы сами себя охладите. Вблизи звезды преобладает излучение звезды. Внутри галактики ваша температура определяется суммой звездного света и излучаемого тепла газа. Вдали от всех других источников преобладает космическое микроволновое фоновое излучение. А внутри быстро расширяющейся туманности вы можете достичь самых низких температур из всех: это самая близкая Вселенная к абсолютному нулю.
Не существует универсального решения, подходящего для всех, но в следующий раз, когда вы обнаружите, что задаетесь вопросом, насколько холодно вам будет в самых глубоких глубинах космоса, вы, по крайней мере, будете знать, где искать ответ!
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startswithabang at gmail dot com!