Seberapa dingin ruang antarbintang?

Luasnya ruang membawa saya rasa kedinginan meskipun saya belum pernah mengalaminya, meskipun saya ingin. Seberapa dinginkah ruang antar bintang (rata-rata)? Bagaimana ini bahkan diukur? Maksud saya Anda tidak bisa hanya menempelkan termometer di ruang angkasa, bukan?

Anda dapat menempelkan termometer di ruang angkasa, dan jika termometer itu sangat berteknologi tinggi, ini bisa menunjukkan suhu gas. Tetapi karena media antarbintang (ISM) sangat encer, termometer normal akan memancarkan energi lebih cepat daripada yang dapat menyerapnya, dan dengan demikian ia tidak akan mencapai kesetimbangan termal dengan gas. Ini tidak akan mendingin hingga 0 K, karena radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik tidak akan memungkinkannya untuk mendinginkan lebih jauh dari 2,7 K, seperti yang dijelaskan oleh David Hammen.

Istilah "suhu" adalah ukuran energi rata-rata partikel-partikel gas (definisi lain yang ada misalnya untuk bidang radiasi). Jika gasnya sangat tipis, tetapi partikel bergerak dengan kecepatan rata-rata yang sama seperti, katakanlah, di permukaan Bumi, gas tersebut masih dikatakan memiliki temperatur, katakanlah, 27º C, atau .$300\,\mathrm{K}$

ISM terdiri dari beberapa fase yang berbeda, masing-masing dengan karakteristik fisik dan asal mereka sendiri. Dapat diperdebatkan, tiga fase paling penting adalah (lihat misalnya Ferrière 2001 ):

Bintang dilahirkan dalam awan molekul padat dengan suhu hanya 10-20 K. Agar bintang dapat terbentuk, gas harus dapat runtuh secara gravitasi, yang tidak mungkin terjadi jika atom bergerak terlalu cepat.

Awan molekul itu sendiri terbentuk dari gas yang netral, yaitu tidak terionisasi. Karena sebagian besar gas adalah hidrogen, ini berarti ia memiliki suhu sekitar , di atasnya hidrogen cenderung terionisasi.$10^4\,\mathrm{K}$

Gas yang bertambah ke galaksi pada fase awalnya cenderung memiliki temperatur yang jauh lebih besar, sekitar . Selain itu, umpan balik radiasi dari bintang-bintang panas (O dan B), dan energi kinetik dan radiasi yang disuntikkan oleh ledakan supernova mengionisasi dan gelembung gas panas yang mengembang. Gas ini terdiri dari media terionisasi panas.$10^6\,\mathrm{K}$

Alasan bahwa ISM sangat tajam dibagi menjadi beberapa fase, yang bertentangan dengan sekadar menjadi campuran halus partikel-partikel dari semua jenis energi, adalah bahwa gas mendingin oleh berbagai proses fisik yang memiliki efisiensi suhu yang agak spesifik. "Pendinginan" berarti mengubah energi kinetik partikel menjadi radiasi yang dapat meninggalkan sistem.

Gas yang sangat panas sepenuhnya terionisasi tabrakan dan dengan demikian mendingin terutama melalui Bremsstrahlung yang memancarkan elektron bebas. Mekanisme ini menjadi tidak efisien di bawah .$\sim10^6\,\mathrm{K}$

Antara dan , rekombinasi (yaitu elektron yang ditangkap oleh ion) dan eksitasi kolusi dan selanjutnya penghilangan eksitasi menyebabkan emisi, menghilangkan energi dari sistem. Di sini dari gas itu penting, karena berbagai elemen memiliki tingkat energi yang berbeda.10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

Pada suhu yang lebih rendah, gas hampir sepenuhnya netral, sehingga rekombinasi tidak memiliki pengaruh apa pun. Tumbukan antara atom hidrogen menjadi terlalu lemah untuk merangsang atom, tetapi jika ada molekul atau logam, itu dimungkinkan melalui garis halus / hyperfine, dan garis rotasi / getaran.

Pendinginan total adalah jumlah dari semua proses ini, tetapi akan didominasi oleh satu atau beberapa proses pada suhu tertentu. Gambar-gambar di bawah ini dari Sutherland & Dopita (1993) menunjukkan proses pendinginan utama (kiri) dan elemen pendingin utama ( kanan ), sebagai fungsi suhu:

Garis tebal menunjukkan laju pendinginan total. Gambar di bawah ini, dari kertas yang sama, menunjukkan laju pendinginan total untuk logam yang berbeda. Metalisitas adalah skala logaritmik, sehingga [Fe / H] = 0 berarti metalurgi matahari, dan [Fe / H] = -1 berarti 0,1 kali metalik matahari, sedangkan "nil" adalah nol keasaman.

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

Jadi, untuk menyimpulkan, ruang antarbintang tidak sedingin yang Anda kira. Namun, karena sangat encer, sulit untuk mentransfer panas, jadi jika Anda meninggalkan pesawat ruang angkasa Anda, Anda akan memancarkan energi jauh lebih cepat daripada Anda dapat menyerapnya dari gas.

$^\dagger$

Judul pertanyaan bertanya tentang ruang antarbintang, tetapi tubuh bertanya tentang medium antarbintang. Ini adalah dua pertanyaan yang sangat berbeda. Suhu medium antarbintang sangat bervariasi, dari beberapa kelvin hingga lebih dari sepuluh juta kelvin. Bagaimanapun, sebagian besar medium antarbintang setidaknya "hangat", di mana "hangat" berarti beberapa ribu kelvin.

Maksud saya Anda tidak bisa hanya menempelkan termometer di ruang angkasa, bukan?

Anda bisa jika Anda memiliki teknologi Star Trek atau Star Wars . Dengan asumsi termometer bohlam gaya lama dilepaskan di tempat yang jauh dari bintang, suhu termometer itu akan turun lebih cepat, akhirnya stabil di sekitar 2,7 kelvin.

Berkenaan dengan objek makroskopis seperti termometer gaya lama atau manusia dalam pakaian antariksa, ada perbedaan besar antara suhu ruang antarbintang dan suhu medium antarbintang. Sekalipun medium antarbintang lokal ada dalam jutaan kelvin, objek makroskopis itu masih akan mendingin hingga sekitar 2,7 kelvin karena tidak ada substansi pada medium antarbintang panas itu. Kepadatan medium antarbintang begitu sangat, sangat rendah sehingga kehilangan radiasi sepenuhnya mendominasi konduksi dari medium tersebut. Medium antarbintang bisa menjadi sangat panas justru karena itu adalah gas (gas agak aneh), dan karena sangat lemah (gas sangat lemah sangat aneh).

Hanya satu komplikasi lebih lanjut. Dimungkinkan untuk mengatur "lemari es" di ruang antarbintang. Ini adalah situasi yang secara efektif bertolak belakang dengan maser - tingkat energi material yang terlibat (dalam hal ini, formaldehida) dapat berakhir berperilaku seolah-olah mereka lebih dingin daripada lingkungan. Sebagai hasilnya, Anda dapat melihat formaldehida dalam penyerapan terhadap latar belakang gelombang mikro kosmik.

Contoh lain dari fakta bahwa, pada kepadatan rendah ruang antarbintang, Anda harus melihat detail bagaimana atom dan molekul individu berperilaku, karena mereka hanya dihubungkan secara buruk oleh tabrakan dengan lingkungan. Dan itu membuat beberapa efek rapi.

Ini adalah masalah yang secara historis penting dan saya pikir perlu menambahkan sedikit tentang sejarah ini ke respons luar biasa yang diberikan di atas. Kisah tersebut menggambarkan makna fisik " suhu ruang ". Pada tahun 1940, McKellar (PASP, vol 52. p187) mengidentifikasi beberapa garis antarbintang yang aneh, yang sebelumnya dilihat oleh Adams pada tahun 1939 dalam spektrum bintang, sebagai garis akibat rotasi molekul CN dan CH. Garis-garis ini pada waktu itu unik.

Intensitas relatifnya hanya dapat dipahami jika rotasi (mis. Putaran) disebabkan oleh tumbukan molekul dengan foton pada suhu 2,7K. Setahun kemudian ia merevisi ini menjadi 2.3K. Untuk alasan yang jelas ia menyebutnya sebagai " suhu putaran ": suhu yang berasal dari molekul pemintalan. Tidak ada sumber lain yang menyarankan dirinya, dan baru pada tahun 1966, setelah ditemukannya radiasi latar kosmik, interpretasi McKellar dikaitkan dengan radiasi latar kosmik pada 2.725K. McKellar telah menemukan " termometer di luar angkasa ".

Ironisnya, Hoyle pada tahun 1950 mengkritik pandangan Gamow tahun 1949 tentang ledakan besar dengan mengatakan bahwa teori Gamow akan memberikan suhu yang lebih tinggi ke ruang angkasa daripada yang diizinkan oleh analisis McKellar.

Latar belakang kosmik neutrino berada pada suhu ~ 1,95 K, di bawah foton latar belakang kosmik pada 2,7 K. Tidak ada ketidakkonsistenan di sini karena neutrino itu pernah berada dalam kesetimbangan dengan foton tepat sebelum foton dipanaskan oleh elektron yang memusnahkan (~ 1 detik setelah big bang). Hilangnya elektron menyebabkan neutrino terlepas dari foton pada titik itu dan tidak lagi berada dalam kesetimbangan.

Jadi "suhu ruang" tergantung pada apakah Anda mengutip foton atau suhu neutrino, dan apa yang Anda ukur tergantung pada jenis termometer yang Anda gunakan. Lengkungan waktu ruang juga dapat dikaitkan dengan suhu, tapi itu cerita lain.