성간 공간은 얼마나 차갑습니까?

넓은 공간은 내가 원했지만 경험하지는 않았지만 냉담한 느낌을줍니다. 성간 공간이 평균적으로 얼마나 차갑습니까? 이것도 어떻게 측정 되나요? 우주에 온도계를 꽂을 수는 없습니다.

우주에 온도계를 붙일 수 있고 , 첨단 온도계라면 가스의 온도를 보여줄 수 있습니다. 그러나 성간 매체 (ISM)가 너무 희석되어 있기 때문에 일반 온도계는 흡수 할 수있는 것보다 더 빨리 에너지를 방출하므로 가스와 열 평형에 도달하지 않습니다. 그러나 우주 전자 레인지 배경 복사 는 David Hammen의 설명에 따라 2.7K 이상을 냉각시킬 수 없기 때문에 0K까지 냉각되지 않습니다.

"온도"라는 용어는 가스 입자의 평균 에너지의 측정치이다 (다른 정의는 예를 들어 방사선 장에 존재한다). 가스가 매우 얇지 만 입자가 지구 표면에서와 같은 평균 속도로 움직이는 경우에도 가스의 온도는 여전히 27º C 또는 .$300\,\mathrm{K}$

ISM은 각각 고유 한 물리적 특성과 출처를 가진 여러 단계로 구성됩니다. 아마도 가장 중요한 세 단계는 다음과 같습니다 (예 : Ferrière 2001 참조 ).

별은 단지 10-20K의 온도를 갖는 밀도가 높은 분자 구름에서 태어납니다. 별을 형성하기 위해서는 가스가 중력에 의해 붕괴 될 수 있어야합니다. 이는 원자가 너무 빨리 움직이면 불가능합니다.

분자 구름 자체는 중성 인, 즉 이온화되지 않은 가스로부터 형성된다. 대부분의 가스는 수소이기 때문에 대략 의 온도를 가지며 높은 수소는 이온화되는 경향이 있습니다.$10^4\,\mathrm{K}$

초기 단계에서 은하계로 방출되는 가스는 온도가 대략 보다 훨씬 더 큰 경향이 있습니다 . 또한, 핫 스타 (O 및 B)의 복사 피드백과 초신성 폭발에 의해 주입 된 운동 및 복사 에너지가 이온화되고 열 기포가 팽창합니다. 이 가스는 고온 이온화 된 매체를 포함한다.$10^6\,\mathrm{K}$

ISM이 모든 종류의 에너지 입자의 매끄러운 혼합물과는 대조적으로 ISM이 단계적으로 크게 구분되는 이유는 온도 별 효율을 갖는 다양한 물리적 프로세스에 의해 가스가 냉각되기 때문입니다. "냉각"은 입자의 운동 에너지를 시스템을 떠날 수있는 방사선으로 변환시키는 것을 의미한다.

매우 뜨거운 가스는 완전히 충돌하여 이온화되므로 주로 자유 전자 방출 Bremsstrahlung을 통해 냉각됩니다. 이 메커니즘은 .$\sim10^6\,\mathrm{K}$

간 및 (즉, 전자가 이온에 의해 잡히지) 시스템으로부터 에너지를 제거 발광에 collisonal 여기 및 후속 탈 여기 리드 재결합. 여기에는 가스 의 금속성 이 중요합니다. 다양한 요소가 서로 다른 에너지 레벨을 갖기 때문입니다.10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

낮은 온도에서 가스는 거의 완전히 중성이므로 재조합에 영향을 미치지 않습니다. 수소 원자 사이의 충돌은 원자를 여기 시키기에는 너무 약해 지지만, 분자 또는 금속이 존재하는 경우 미세 / 과도 라인 및 회전 / 진동 라인을 통해 각각 가능합니다.

총 냉각은 이러한 모든 프로세스의 합이지만 주어진 온도에서 하나 또는 몇 개의 프로세스에 의해 지배됩니다. Sutherland & Dopita (1993)의 아래 그림 은 온도에 따른 주요 냉각 과정 (왼쪽)과 주요 냉각 요소 ( 오른쪽 )를 보여줍니다 .

굵은 선은 총 냉각 속도를 보여줍니다. 같은 종이에서 아래 그림은 다른 금속성에 대한 총 냉각 속도를 보여줍니다. 금속성은 대수 스케일이므로 [Fe / H] = 0은 태양 금속성을 의미하고, [Fe / H] = –1은 0.1의 태양 금속성을 의미하고, "nil"은 0 금속성을 의미합니다.

이러한 공정이 전체 온도 범위를 동일하게 포함하지 않기 때문에 가스는 온도에서 특정 "고원"에 도달하는 경향이 있습니다. 즉, 특정 특정 온도를 차지하는 경향이 있습니다. 가스가 식 으면 수축합니다. 이상적인 가스 법칙에서 우리는 압력 가 밀도 과 온도 의 곱에 비례 한다는 것을 알고 있습니다. ISM에 압력 평형이있는 경우 (항상 그런 것은 아니지만 많은 경우에 좋은 가정 임) 는 일정하므로 뜨거운 이온화 된 가스 소포가 를 으로 설정하면 밀도가 만큼 증가합니다.N T N T 10 $P$$n$$T$$nT$10 $10^7\,\mathrm{K}$10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^3$. 따라서 시원한 구름은 더 작고 밀도가 높으며, 이러한 방식으로 ISM은 다양한 단계로 나뉩니다.

결론적으로, 성간 공간은 생각만큼 차갑지 않습니다. 그러나 극도로 희석되어 열 을 전달 하기가 어렵 기 때문에 우주선을 떠나면 가스에서 흡수 할 수있는 것보다 더 빨리 에너지를 방출합니다.

$^\dagger$ _{천문학에서 "금속"이라는 용어는 수소 또는 헬륨이 아닌 모든 원소를 지칭하며 "금속성"은 금속으로 구성된 가스의 일부입니다.}

질문의 제목은 성간 공간에 대해 묻지 만 몸은 성간 매체에 대해 묻습니다. 이들은 매우 다른 두 가지 질문입니다. 성간 매체의 온도는 몇 켈빈에서 천만 켈빈 이상으로 광범위하게 변합니다. 모든 설명에 따르면, 성간 매체의 대다수는 적어도 "따뜻한"상태이며, 여기서 "따뜻한"은 수천 켈빈을 의미합니다.

우주에 온도계를 꽂을 수는 없습니다.

Star Trek 또는 Star Wars 기술 이 있다면 가능합니다 . 별에서 멀리 떨어진 곳에서 구식 전구 온도계가 방출되었다고 가정하면 해당 온도계의 온도가 다소 빠르게 떨어질 수 있으며 결국 약 2.7 켈빈에서 안정화됩니다.

우주복을 입은 구식 온도계 나 사람과 같은 거시적 인 물체와 관련하여, 성간 공간의 온도와 성간 매체의 온도 사이에는 큰 차이가 있습니다. 국부 성간 매체가 수백만 켈빈에 있더라도 그 거시적 물체는 여전히 뜨거운 성간 매체에 물질이 없기 때문에 약 2.7 켈빈으로 식을 것입니다. 성간 매체의 밀도는 매우 낮아서 방사선 손실이 매체로부터의 전도에 비해 완전히 지배적입니다. 성간 매체는 가스이기 때문에 (가스가 조금 이상하기 때문에) 매우 극히 열악하기 때문에 (매우 열악한 가스는 이상 할 수 없음) 매우 뜨겁습니다.

하나의 추가 합병증. 성간 공간에 "냉장고"를 설치할 수 있습니다. 이것은 매서와 효과적으로 반대되는 상황입니다. 관련된 물질 (이 경우 포름 알데히드)의 에너지 수준은 마치 주변보다 시원한 것처럼 행동 할 수 있습니다. 결과적으로, 우주 마이크로파 배경에 대한 포름 알데히드 흡수를 볼 수 있습니다.

성간 공간의 저밀도에서 개별 원자와 분자가 어떻게 행동하는지에 대한 세부 사항을 살펴 봐야한다는 사실의 또 다른 예는 주변과의 충돌로 인해 잘못 연결되어 있기 때문입니다. 그리고 그것은 약간의 깔끔한 효과를 만듭니다.

이것은 역사적으로 중요한 문제이며 위에 언급 된 훌륭한 답변에이 역사에 대해 조금 더할 가치가 있다고 생각합니다. 이야기는 " 공간 온도 "의 물리적 의미를 보여줍니다 . 1940 년에 McKellar (PASP, vol 52. p187)는 1939 년 Adams가 이전에 별 스펙트럼에서 본 이상한 이상한 성 간선을 CN과 CH 분자의 회전으로 인한 선으로 식별했다. 이 라인은 당시 고유했습니다.

이들의 상대 강도는 회전 (즉, 스핀)이 2.7K의 온도에서 분자와 광자의 충돌로 인한 경우에만 이해 될 수있다. 1 년 후 그는 이것을 2.3K로 수정했습니다. 명백한 이유로 그는 이것을 " 스핀 온도 ": 스피닝 분자로부터 유래 된 온도 로 지칭 하였다 . 다른 어떤 출처도 제안하지 않았으며, 우주 배경 방사선이 발견 된 후 1966 년이 되어서야 McKellar의 해석은 2.725K에서 우주 배경 방사선과 관련이있었습니다. 맥켈라는 " 공간의 온도계 "를 발견했습니다 .

아이러니하게도, 1950 년에 Hoyle은 Gamow 이론이 McKellar의 분석에서 허용 한 것보다 우주에 더 높은 온도를 제공 할 것이라고 말함으로써 Gamow의 1949 년의 뜨거운 빅뱅에 대한 비판을 비판했다.

중성미자의 우주 배경은 ~ 1.95K의 온도이며, 2.7K의 우주 배경 광자보다 낮습니다. 여기서 중성미자는 광자가 소멸 전자에 의해 가열되기 직전 (빅뱅 후 약 1 초)에 일단 광자와 평형을 이루었 기 때문에 불일치가 없습니다. 전자의 상실로 인해 중성미자는 그 시점에서 광자로부터 분리되어 더 이상 평형 상태에 있지 않습니다.

따라서 "공간 온도"는 광자 또는 중성미자 온도를 인용하는지 여부에 따라 달라지며 측정하는 온도계는 사용하는 온도계의 종류에 따라 다릅니다. 시공간의 곡률은 온도와 관련 될 수 있지만 이것은 또 다른 이야기입니다.