Yıldızlararası boşluk ne kadar soğuk?

Alanın genişliği bana hiç yaşamamış olmama rağmen bir soğukluk duygusu getiriyor. Yıldızlararası boşluk ne kadar soğuk (ortalama)? Bu nasıl ölçülür? Yani bir termometreyi uzaya yapıştıramazsın, değil mi?

Sen olabilir uzayda bir termometre sopa ve bir süper-yüksek teknoloji biriyse, bu size gazın sıcaklığını gösterebilir. Ancak yıldızlararası ortam (ISM) çok seyreltik olduğundan, normal bir termometre enerjiyi emebileceğinden daha hızlı yayar ve böylece gazla termal dengeye ulaşmaz. Bununla birlikte, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonu David Hammen tarafından tarif edildiği gibi 2.7 K'dan daha fazla soğumasına izin vermediğinden , 0 K'ye kadar soğumaz.

"Sıcaklık" terimi, bir gazın parçacıklarının ortalama enerjisinin bir ölçüsüdür (örneğin, bir radyasyon alanı için başka tanımlar mevcuttur). Gaz çok inceyse, ancak parçacıklar, örneğin Dünya yüzeyinde olduğu gibi aynı ortalama hızda hareket ederse, gazın yine de, örneğin, 27 ° C veya sıcaklığına sahip olduğu söylenir. .$300\,\mathrm{K}$

ISM, her biri kendi fiziksel özelliklerine ve kökenlerine sahip birkaç farklı aşamadan oluşur. Tartışmalı olarak, en önemli üç aşama (bkz. Örneğin Ferrière 2001 ):

Yıldızlar, sadece 10-20 K sıcaklıkları olan yoğun moleküler bulutlarda doğar. Bir yıldızın oluşması için, gazın yerçekimsel olarak çökebilmesi gerekir, bu da atomların çok hızlı hareket etmesi imkansızdır.

Moleküler bulutların kendileri nötr olan, yani iyonize olmayan gazdan oluşur. Gazın çoğu hidrojen olduğundan, bunun üzerinde kabaca sıcaklığına sahip olduğu, bunun üzerinde hidrojenin iyonize olma eğiliminde olduğu anlamına gelir.$10^4\,\mathrm{K}$

Galaksinin erken evrelerinde akan gazın kabaca gibi çok daha yüksek bir sıcaklığa sahip olma eğilimi vardır . Ek olarak, sıcak yıldızlardan gelen radyasyon geribildirimi (O ve B) ve süpernova patlamaları tarafından enjekte edilen kinetik ve radyasyon enerjisi, genleşir ve ısı gaz kabarcıklarını genişletir. Bu gaz, sıcak iyonize ortam içerir.$10^6\,\mathrm{K}$

ISM'nin, her türlü enerjiden oluşan parçacıkların düzgün bir karışımı olmasının aksine, fazlara bu kadar keskin bir şekilde bölünmesinin nedeni, gazın, oldukça sıcaklığa özgü bir verime sahip çeşitli fiziksel işlemlerle soğumasıdır. "Soğutma", parçacıkların kinetik enerjisini, sistemi terk edebilen radyasyona dönüştürmek anlamına gelir.

Çok sıcak gaz tamamen kolektif olarak iyonize olur ve bu nedenle esas olarak Bremsstrahlung yayan serbest elektron aracılığıyla soğur. Bu mekanizma altında hale gelir .$\sim10^6\,\mathrm{K}$

Arasında ve , (yani elektronları iyonları ile yakalanan) ve sistemin enerji çıkarılması emisyon collisonal eksitasyon ve daha sonra de-uyarma kurşun, rekombinasyon. Burada gazın önemlidir, çünkü çeşitli elementler farklı enerji seviyelerine sahiptir.10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

Düşük sıcaklıklarda, gaz neredeyse tamamen nötrdür, bu nedenle rekombinasyonların herhangi bir etkisi yoktur. Hidrojen atomu arasındaki çarpışmalar atomları uyarmak için çok zayıf hale gelir, ancak moleküller veya metaller varsa, sırasıyla ince / aşırı ince çizgiler ve dönme / titreşim çizgileri yoluyla mümkündür.

Toplam soğutma, tüm bu işlemlerin toplamıdır, ancak belirli bir sıcaklıkta bir veya birkaç işlem baskın olacaktır. Sutherland ve Dopita'nın (1993) aşağıdaki rakamları sıcaklığın bir fonksiyonu olarak ana soğutma süreçlerini (solda) ve ana soğutma elemanlarını ( sağda ) göstermektedir:

Kalın çizgi toplam soğutma hızını gösterir. Aşağıdaki şekil, aynı kağıttan, farklı metalikler için toplam soğutma oranını göstermektedir. Metaliklik logaritmik bir ölçektir, bu nedenle [Fe / H] = 0 Güneş metalikliği anlamına gelir ve [Fe / H] = –1 Güneş metalikliğinin 0,1 katı anlamına gelirken, "sıfır" sıfır metaliktir.

Bu işlemler tam sıcaklık aralığını eşit olarak kapsamadığından, gaz sıcaklıklarda belirli "platolara" ulaşma eğilimi gösterir, yani belirli spesifik sıcaklıkları işgal etme eğilimi gösterir. Gaz soğuduğunda büzülür. İdeal gaz yasasından, basıncının yoğunluğunun ve sıcaklığının çarpımı ile orantılı olduğunu biliyoruz . ISM'de basınç dengesi varsa (ki her zaman yoktur, ancak birçok durumda iyi bir varsayımdır), o zaman sabittir ve bu nedenle sıcak iyonize gazın bir parseli ile , yoğunluğunu kat artırmak için sözleşme yapmalıdır.n T n T 10 $P$$n$$T$$nT$10 $10^7\,\mathrm{K}$10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^3$. Böylece, daha soğuk bulutlar daha küçük ve daha yoğun olur ve bu şekilde ISM çeşitli aşamalarında bölünür.

Sonuç olarak, yıldızlararası boşluk düşündüğünüz kadar soğuk değildir. Bununla birlikte, son derece seyreltik olarak, ısıyı aktarmak zordur , bu nedenle uzay geminizi terk ederseniz, enerjiyi gazdan emebileceğinizden daha hızlı yayarsınız.

$^\dagger$ _{Astronomide "metal" terimi, hidrojen veya helyum olmayan tüm elementleri ifade eder ve "metaliklik", metallerden oluşan gaz fraksiyonudur.}

Sorunun başlığı yıldızlararası boşluk hakkında sorular soruyor, ancak vücut yıldızlararası ortam hakkında sorular soruyor. Bunlar çok farklı iki soru. Yıldızlararası ortamın sıcaklığı, birkaç kelvinden on milyondan fazla kelvine kadar büyük ölçüde değişir. Tüm hesaplara göre, yıldızlararası ortamın büyük çoğunluğu en azından "sıcak", burada "sıcak" birkaç bin kelvin anlamına gelir.

Yani bir termometreyi uzaya yapıştıramazsın, değil mi?

Star Trek veya Star Wars teknolojisine sahipseniz yapabilirsiniz . Bir yıldızdan uzak bir yerde serbest bırakılan eski tip bir ampul termometresinin, o termometrenin sıcaklığı oldukça hızlı bir şekilde düşeceğini ve sonunda yaklaşık 2.7 kelvinde stabilize olacağını varsayarsak.

Bir uzay giysisindeki eski tip bir termometre veya insan gibi makroskopik bir nesne ile ilgili olarak, yıldızlar arası boşluğun sıcaklığı ile yıldızlar arası ortamın sıcaklığı arasında büyük bir fark vardır. Yerel yıldızlararası ortam milyonlarca kelvin içinde olsa bile, bu makroskopik nesne hala yaklaşık 2.7 kelvin'e kadar soğuyacaktır, çünkü o sıcak yıldızlararası ortama hiçbir madde yoktur. Yıldızlararası ortamın yoğunluğu o kadar çok, çok düşüktür ki radyasyon kayıpları ortamdan iletimde tamamen hakimdir. Yıldızlararası ortam çok sıcak olabilir, çünkü bir gazdır (gazlar biraz gariptir) ve son derece yavaştır (son derece yavaş gazlar garipin ötesindedir).

Sadece bir komplikasyon daha. Yıldızlararası alanda "buzdolapları" kurmak mümkündür. Bunlar ustaların etkili bir şekilde tersi durumlardır - dahil olan malzemenin enerji seviyeleri (bu durumda formaldehit), çevreden daha soğukmuş gibi davranabilir. Sonuç olarak, kozmik mikrodalga arka planına karşı emilimde formaldehit görebilirsiniz.

Yıldızlararası boşluğun düşük yoğunluklarında, tek tek atomların ve moleküllerin nasıl davrandığının ayrıntılarına bakmanız gerektiğine dair başka bir örnek, çünkü çevreye çarpışmalarla sadece zayıf bir şekilde bağlantılıdırlar. Bu da bazı düzgün efektler yaratıyor.

Bu tarihsel olarak önemli bir konudur ve bence bu tarih hakkında yukarıda verilen mükemmel yanıtlara biraz eklemeye değer. Hikaye, " mekan sıcaklığı " nın fiziksel anlamını göstermektedir . 1940 yılında McKellar (PASP, cilt 52. p187), daha önce 1939'da Adams tarafından bir yıldız spektrumunda, CN ve CH moleküllerinin rotasyonu nedeniyle çizgiler olarak görülen bazı garip yıldızlararası çizgiler tanımladı. Bu çizgiler o zamanlar eşsizdi.

Göreceli yoğunlukları, ancak dönme (yani, spin) moleküllerin fotonlarla 2.7K sıcaklıkta çarpışmasından kaynaklanıyorsa anlaşılabilir. Bir yıl sonra bunu 2.3K'ya revize etti. Bariz nedenlerle buna " sıkma sıcaklığı " diye değinmiştir : dönen moleküllerden elde edilen sıcaklık. Başka hiçbir kaynak kendini önermedi ve 1966'ya kadar kozmik arka plan radyasyonunun keşfinden sonra, McKellar'ın yorumunun 2.725K'daki kozmik arka plan radyasyonu ile bağlantılı olduğu söylenmedi. McKellar " uzayda bir termometre " bulmuştu .

İronik bir şekilde, 1950'de Hoyle, Gamow teorisinin, uzaya boşluk için McKellar'ın analizinin izin verdiğinden daha yüksek bir sıcaklık sağlayacağını söyleyerek Gamow'un 1949'daki sıcak büyük patlama görüşünü eleştirdi.

Nötrinoların kozmik arka planı ~ 1.95K bir sıcaklıkta, 2.7K'daki kozmik arka plan fotonlarının altındadır. Burada herhangi bir tutarsızlık yoktur, çünkü bu nötrinolar bir zamanlar fotonların yok edici elektronlar tarafından ısıtılmasından hemen önce fotonlarla dengede idi (büyük patlamadan ~ 1 saniye sonra). Elektron kaybı, nötrinoların bu noktada fotonlardan ayrılmasına neden oldu ve artık dengede değil.

Bu nedenle "alan sıcaklığı", foton veya nötrino sıcaklığını gösterip göstermediğinize ve ölçtüğünüz şey, ne tür bir termometre kullandığınıza bağlıdır. Uzay zamanının eğriliği bir sıcaklıkla da ilişkilendirilebilir, ancak bu başka bir hikaye.