Die Temperatur im Weltraum beträgt etwa 3 K, aber es gibt fast keine Atome im Weltraum. Wie kann es zu Restwärme kommen?

Wenn wir uns auf die 3 K Temperatur im Weltraum beziehen, meinen wir nicht Atomschwingungen. Die sogenannte Temperatur entsteht, wenn man in den Himmel schaut und die Strahlung misst, die aus allen Richtungen auf uns zukommt. Wenn Sie alle Sterne, Galaxien und andere wichtige Lichtquellen ausblenden, werden Sie immer noch sehr isotrope Mikrowellenstrahlung "sehen". Und diese Strahlung verteilt sich wie die Strahlung eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 2,73 K ($\approx$3K).

Woher kommt diese Strahlung? Wie Sie vielleicht wissen, leben wir in einem sich beschleunigenden Universum, was bedeutet, dass es mit der Zeit größer wird. Wenn wir also die Zeit umkehren, haben wir ein schrumpfendes Universum. Aber wenn jede Längenskala abnimmt, nimmt auch die Wellenlänge der Photonen im Universum ab. Nach dieser Logik war die durchschnittliche Frequenz und damit die Energie eines Photons in der Vergangenheit groß.

Nun gab es eine Zeit, als die durchschnittliche Energie eines Photons so hoch war, dass es keine stabilen Atome geben konnte, da jede Atom-Photon-Wechselwirkung so stark wäre, dass die Elektronen das Atom sofort verlassen würden. Das Universum musste sich vergrößern und abkühlen, bis es eine Energie von etwa 3000 K erreichte. Nun könnte es stabile Atome geben. Die Photonen, die wir heute sehen, sind Photonen, die das letzte Mal genau in diesem Moment gestreut wurden! Aber seit viele Milliarden Jahre vergangen sind, hat sich ihre Wellenlänge weiter vergrößert und statt Photonen mit einem Spektrum eines Schwarzen Körpers mit 3000 K sehen wir ein 1000-mal kühleres Spektrum, was uns den Zeitpunkt der letzten Streuung auf etwa 380000 Jahre extrapolieren lässt nach dem Urknall (oder vor 13,4 Milliarden Jahren).

Ihre zweite Frage kann unter vielen verschiedenen Aspekten beantwortet werden. Das erste finde ich persönlich ziemlich lustig: Eigentlich friert man nicht zu Tode, man kocht! Da es im Weltraum keinen äußeren Druck gibt, würde der Siedepunkt Ihrer Körperflüssigkeiten schnell unter Ihre Körpertemperatur sinken. Im ersten Moment gehen Ihre Flüssigkeiten teilweise in die Gasphase und schädigen durch das zunehmende Volumen und den Druck Ihr Gewebe. Aber keine Sorge, du wirst nicht explodieren.

Im nächsten Schritt hätte Ihre Körperflüssigkeit durch den Siedevorgang so viel Temperatur und Energie verloren, dass sie tatsächlich zu gefrieren beginnt. Aber das ist nicht der Fall für Ihren gesamten Körper. Wie Sie gesagt haben, ist die einzige Form des Wärmeaustauschs im Weltraum die Strahlung, und unser Körper verliert auf diese Weise nur einen vernachlässigbaren Teil seiner Wärme. Aber wir absorbieren so ziemlich jede Strahlung! Bei direkter Sonneneinstrahlung würde sich Ihr Rücken also auf einige 100 erwärmen$^\circ$C (über dem Siedepunkt von Wasser), während Ihre Front unter 0 liegt$^\circ$C (unter dem Gefrierpunkt von Wasser). Nichtsdestotrotz wärst du in weniger als einer Minute tot, aber du könntest gleichzeitig auf beiden Wegen sterben!

Die Temperatur im "Raum" beträgt nicht 3K. Es gibt viele Atome (eigentlich mehr Ionen und Elektronen), denen man durchaus eine Temperatur zuordnen kann.

Wenn wir die Temperatur messen (unter Verwendung verschiedener cleverer Spektraldiagnostik), stellen wir fest, dass das interplanetare Medium Temperaturen aufweist, die von Millionen K in der Nähe der Sonne bis zu etwa 100.000 K am Rand des Sonnensystems reichen.

Das interstellare Medium hat Temperaturen, die von wenigen K in den Kernen der kältesten Molekülwolken bis zu Millionen K in den heißen, ionisierten Blasen reichen, die durch Supernova-Überreste verursacht werden.

Auch der Raum zwischen Galaxien ist heiß, mit Temperaturen von 100.000 bis 10.000.000 K.

Sie verwechseln die Temperatur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds mit der Temperatur im Weltraum. Aber das Gas und der Staub im Weltraum sind nicht im Gleichgewicht mit dieser Strahlung. Es gibt zahlreiche Heizmechanismen (z. B. Sternstrahlung und Winde, Supernovae), die die Dinge heiß halten, und die Kühlmechanismen sind nicht schnell genug, um die Temperatur auf 3 K zu senken.

Für den letzten Teil Ihrer Frage siehe Manthanos Antwort. Der niedrige Druck im Weltraum bedeutet, dass Ihre Körperflüssigkeiten kochen würden.

Der Weltraum ist mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund gefüllt . Die Frequenzen der Photonen werden sehr gut durch eine Schwarzkörperverteilung beschrieben , der eine Temperatur zugeordnet werden kann. Wie bei Atomen gilt: Je höher die Temperatur, desto mehr hochenergetische Photonen gibt es.