Почему в космосе так холодно? В огромной космической пустоте температура опускается до -454 градусов по Фаренгейту.
Если судить только по палящему летнему солнцу, можно простить себе предположение, что космос — это теплица. Но, несмотря на колоссальную энергию, выплескивающуюся из триллионов и триллионов звезд, наша вселенная на удивление арктическая.
Чтобы понять, почему, нам сначала нужно разобраться с температурой, потому что ее истинная природа не очевидна, когда вы обжигаете руку о плиту или ныряете в ледяное озеро. Когда ученые говорят о горячем и холодном, они имеют в виду среднюю кинетическую энергию системы (будь то снежный ком или целая галактика), которая основана на движении ее частиц: чем больше они колеблются, тем они горячее.
Но вдали от звезд, планет и других связанных объектов, в пустых участках космоса концентрация частиц резко падает — то же самое происходит и с термометром.
«Большая часть космоса холодная, — говорит Эмили Хардегри-Ульман, профессор астрономии в Университете штата Колорадо, — потому что там просто нечему обладать кинетической энергией».
А поскольку они находятся так далеко друг от друга, немногочисленные частицы в этом почти вакууме не могут передавать много тепла посредством теплопроводности и конвекции, полагаясь вместо этого на менее эффективный метод излучения.
Температура в космосе
Очевидно, не везде холодно. Атмосфера Земли поддерживает мягкий, благоприятный для жизни климат; другие планеты нашей солнечной системы испытывают экстремальные перепады температур ( например, Меркурий колеблется от 800 градусов по Фаренгейту днем до -280 градусов ночью); корона нашего солнца пылает при температуре 2 миллиона градусов, а квазар 3C273 — спиральный диск плазмы вокруг черной дыры в созвездии Девы — по оценкам достигает ошеломляющей цифры в 18 триллионов градусов.
Тем не менее, эти космические обогреватели (каламбурчик очень преднамеренный) немногочисленны и разбросаны, их значительно перевешивает, ну, целая куча ничего. Большая часть вселенной заполнена только космическим микроволновым фоном, редким, но всепроникающим излучением, которое охлаждается с момента Большого взрыва.
Чтобы представить это, Хардегри-Ульман любит представлять наблюдаемую Вселенную как гигантский пузырь, внутренняя поверхность которого подобна слабой звезде, полностью окружающей нас.
«Свет от этой поверхности растянулся на миллиарды лет, пока шел к нам», — говорит она, — «поэтому к тому времени, когда он достигает Земли, создается впечатление, что он исходит от поверхности звезды, температура которой составляет всего 3 [градуса] Кельвина».
Почему в космосе так холодно?
Другими словами, когда мы рассматриваем всю вселенную как одну гигантскую систему, средняя кинетическая энергия равна леденящим душу отрицательным 454 градусам по Фаренгейту. Со временем становится только холоднее, и даже сейчас в некоторых регионах температура падает еще ниже. Рекорд принадлежит туманности Бумеранг , которая зарегистрировала всего 1 градус Кельвина выше абсолютного нуля — почти отрицательные 460 градусов по Фаренгейту — когда ученые измерили ее в 1995 году.
На самом деле, теоретическим пределом температуры, по-видимому, является температура чуть выше 0 Кельвинов.
«Чтобы система достигла абсолютного нуля, — объясняет Хардегри-Ульман, — все ее частицы должны прийти в состояние покоя».
Однако мы знаем, что это невозможно, поскольку, как учит нас квантовая механика, мы никогда не сможем с абсолютной точностью определить и положение, и скорость частицы.
По иронии судьбы (учитывая ее в целом уютные условия), наша собственная планета на самом деле является источником самых низких температур, когда-либо зарегистрированных. Ученые регулярно подбираются ближе к абсолютному нулю, чем к чему-либо, что вы найдете в космосе. Лучший успех на данный момент пришелся на 2021 год, когда группа немецких исследователей сообщила, что им удалось охладить атомы рубидия до поразительных 38 триллионных долей градуса выше 0 Кельвина.
Тем не менее, как будто в знак уважения к внеземной холодности, они смоделировали микрогравитацию, сбросив систему с башни, что позволило им выжать немного больше энергии. Когда дело доходит до холода, мы не могли бы желать лучшего учителя, чем космос.