Яка температура Всесвіту?
Якби ми мали змогу мандрувати між різними світами, між різними зоряними системами, тоді в певний момент ми зрозуміли, що наше Сонце більше не зігріває нас своїми теплими променями. То ж собою потрібно брати теплі речі, так як у Всесвіті має бути м'яко кажучи прохолодно. Але ключеве питання - на скільки Всесвіт насправді холодний?
Насправді дане формалювання є не зовсім коректним. Простір не є холодним взагалі, тому що простір - це ніщо. І відповідно він не може мати температури. Температура - показник швидкості руху молекул. І саме по цій причині температура відноситься до об'єктів таких як, зорі, планети, астероїди, космічні кораблі та астронавти, так як всі вищеперелічені об'єкти складаються з атомів та молекул, на відміну від простору. Так як самий простір не складається ні з атомів, ні відповідно з молекул температуру його виміряти не вдасться, тому що він її немає.
Теплота проти температури
Перш ніж говорити наскільки холодно чи жарко у космосі потрібно зрозуміти різницю між температурою та теплотою. Не зважаючи на то, що температура та теплота досить часто використовуються, як взаємозамінні поняття, але насправді між ними є різниця.
Теплота - це енергія, яка передається від одного тіла до іншого внаслідок різниці температур і вимірюється вона в джоулях або в калоріях. Іншими словами, теплота - це загальна кількість кінетичної енергії, що володіють молекули, які рухаються в речовині.
Температура не є енергією, а є мірою нагрівання тіла через коливання молекул в середині нього. Тобто, температура це наслідок тепла і залежить від того наскільки швидко рухаються молекули в речовині. Вимірюється в градусах Цельсія та Кельвіна.
Також теплота має здатність виконувати роботу - нагрівати, а температура в свою чергу може вимірювати лише кількість роботи, яка виконується теплом.
Теплота залежить від таких факторів, як швидкість частинок, їх розмір та кількість. З іншого боку температура від цього не залежить.
Наприклад, чашка кави та повна ванна води можуть мати однакову температуру. Але, у ванні знаходиться більше частинок і як результат ванна містить більше теплової енергії, як чашка кави.
Надаючи більше енергії певній матерії ви фактично збільшуєте швидкість коливання молекул в середині неї, що можна виміряти як температуру.
За винятком зірок, планет, астероїдів та інших тіл більшість космосу - це вакуум. Очевидно, що у вакуумі не має матерії температуру, якого можна виміряти. Отже, про температуру космосу можна взагалі не говорити.
Теплова енергія зірок і перепади температур
Більшість тепла у Всесвіті надходить від зірок. В середині них де відбувається термоядерний синтез температура може сягати 10-ки мільйонів Кельвінів, а на поверхні 10-ки тисяч Кельвінів. Теплова енергія, яка залишає зірку поширюється в космос у вигляді інфрачервоного випромінювання.
Ці електромагнітні хвилі збуджують молекули речовини з якими контактують викликаючи нагрівання. Але варто розуміти, що сонячні промені нагрівають лише частинки матерії з якими контактують, а все що не потрапляє під їхній вплив залишається холодним. Саме по цій причині в космосі можна спостерігати за земними мірками перепади температур. Наприклад навіть у найближчої планети до Сонця - Меркурія температура вночі опускається до 90 Кельвінів/-183 градуси по Цельсія. При тому, що вдень на екваторі планети температура піднімається до 740 Кельвінів/467 Цельсія
Взагалі найхолодніше місце у Сонячній системі - це не є якись далекий об'єкт, що обертається у поясі Койпера. У 2009 році науковці виміряли глибину темного кратера на поверхні Місяця і там температура впала до 33 Кельвінів/-240 Цельсія. Сонячні промені просто не дістають дна кратера, тому там настільки холодно.
Для порівняння середня температура поверхні Плутона, який знаходиться в 40 разів від Сонця ніж Земля та Місяць і отримує вкрай мало сонячного випромінювання і складає 40 Кельвінів/-233 Цельсія. Тобто там навіть тепліше ніж в кратері Місяця.
З іншого боку звичайний шматок Заліза, який знаходиться на навколоземній орбіті може сильно нагріватися. Наприклад температура корпусу міжнародної космічної станції, яка звернена до Сонця може нагрітися до 393 Кельвінів/120 Цельсія. Натомість на темній температура може опуститися до 116 Кельвінів/-157 Цельсія. Саме тому скафандри астронавтів оснащені як і нагрівачами так і охолоджувачами.
Атмосфера - це прекрасно!
На Землі не має таких великих перепадів температур, це тому що теплота на нашій планеті поширюється не одним, а одразу трьома способами: провідністю, конвекцією та випромінюванням.
Коли сонячні промені нагрівають молекули в нашій атмосфері ці молекули передають свою енергію іншим молекулам навколо потім ці молекули зіштовхуються зі своїми сусідами змушуючи їх рухатися швидше, а отже, підвищуючи температуру атмосфери. Ця передача тепла від молекули до молекули називається - провідністю. І це саме та причина, чому ховаючись від Сонця в тіні ви не замерзните, оскільки повітря зберігає велику кількість тепла. Ви постійно стикаєтеся з мільйонами частинок і зігріваєтеся від цієї взаємодії.
Передача тепла у космосі
Космос - це майже вакуум, незважаючи на те, що в ньому міститься газ, але він є дуже розріджений та й молекули розташовані досить далеко одна від одної, щоб регулярно стикатися між собою. Таким чином навіть коли Сонце їх нагріває своїми інфрачервоними хвилями передача тепла через провідність майже неможлива. І саме з цієї причини в космосі не має звуку, так як в космосі не достатньо молекул, щоб вібрувати і переносити звук. Тому, єдиним способом передачі тепла у космосі - є випромінювання. Для розповсюдження якого зовсім не обов'язкова наявність матерії.
Температура залежить від місця у Всесвіті
Отже, коли ми вирушаємо у космос важлива не температура, а наявність джерела енергії і наскільки добре воно нагріває предмети з якими контактує. Якщо взяти один і той самий предмет і розмістити його в різних частинах Всесвіту єдине, що буде визначати його температуру - це відстань до джерела тепла. Тобто, де б ви не знаходилися в космосі ваша температура буде залежати від відстані до космічних об'єктів, що вас оточує зірок, планет і т.д. Чим більша кількість радіації падає на вас, тим гарячішим ви стаєте, і навпаки кількість випромінювання, що до вас надходить буде меншим за кількість випромінювання, що віддаєте ви почнете замерзати.
Чим дальше ви будете віддалятися від Сонця тим холодніші об'єкти ви будете знаходити, наприклад температура Нептуна який знаходиться в 30 разів дальше від Сонця ніж Земля зазвичай не перевищує 55 Кельвінів/-218 Цельсія.
Але чим дальше ви подорожуєте від Сонця тим більше розумієте наскільки там можна охолонути. На відстані уже в 100-ні разів дальше від Сонця ви помітите, що температура більше не надходить від одного джерела. Натомість температура, яка надходить від інших зірок, газів та плазми уже почне мати значення.
В міру того, як ви віддаляєтеся від Сонця ви помічаєте, як ваша температура не опускається нижче 10-20 Кельвінів.
Проте уявімо, що ви рухаєтеся далі не тільки за межі Сонячної системи , а й за межу Чумацького Шляху, де вже не буде впливати випромінювання зірок, хмар газу та пилу і єдиним впливом на температуру залишається - космічне мікрохвильове випромінювання - перше світло, яке вирвалося після Великого Вибуху.
Найхолодніше місце у Всесвіті
Щільність мікрохвильового випромінювання має приблизно 400 фотонів/см3 та температуру 2,7 Кельвінів. Це випромінювання заповнює весь Всесвіт та будь який об'єкт, що сам дрейфує у Всесвіті все одно нагріється до цієї температури. То ж навіть десь посеред гігантських порожнеч де практично не має матерії - це саме та температура до якої можна охолонути у відкритому космосі.
Незважаючи, що температура реліктового випромінювання досить близька до абсолютного нуля це не є остаточний мінімум температур, якого можуть досягти об'єкти у космосі.
Найхолоднішим місцем у Всесвіті є туманність Бумеранг і це незважаючи на те, що в центрі є гігантська червона гаряча зоря, яка випромінює як видиме так і інфрачервоне випромінювання. Температура якої складає 0,5 Кельвінів і це всього лиш трішки менше абсолютного нуля і відповідно суттєво холодніше за мікрохвильове випромінювання. Але виникає питання, як це взагалі можливо?
У Всесвіті - є лише один механізм охолодження до таких температур - це розширення газу. Як відомо газ при стисненні нагрівається, а при розширенні - охолоджується. Серед зір найбільше розширюються і відповідно найшвидше охолоджуються - червоні гіганти.
Коли такі зорі скидають зовнішні шари вони розширюють навколишній газ утворюючи планетарну туманність. Але швидкість розширення газу в цій туманності настільки високий, що газ зміг охолонути до температури 0,5 Кельвінів.
Тому коли постає питання, яка температура в космосі все залежить де саме в космосі ви знаходитеся. А сам космос не холодний і не гарячий він просто великий. І настільки великий, що в більшій його частині не має речовини температуру якої можна виміряти.