Wie kann der interstellare Raum eine Temperatur von 2-3K haben?

Mehrere verschiedene Online-Quellen geben an, dass die Durchschnittstemperatur des interstellaren Raums (oder des Universums im Allgemeinen) bei etwa 2-3 K liegt.

Ich habe gelernt, dass Temperatur im Grunde das Wackeln von Materie ist, und ich finde es etwas kontraintuitiv, dass das Wackeln so weniger Partikel eine Temperatur von 2-3K verursachen kann. Gibt es eine (Größenordnungs-) Berechnung, die zeigen kann, dass diese durchschnittliche Temperaturschätzung korrekt ist, indem eine Schätzung der durchschnittlichen Dichte des interstellaren Raums (oder des Universums im Allgemeinen) verwendet wird?

Beginnen Sie damit, die Vorstellung aufzugeben, dass Materie oder Energie aus Wellen oder Teilchen besteht. Teilchen sind nicht wirklich Teilchen, aber sie sind auch keine Wellen. en.wikipedia.org/wiki/Wave%E2%80%93particle_duality
@Jodrell Es ist nicht klar, was Welle-Teilchen-Dualität wirklich mit dieser Frage zu tun hat. Können Sie das näher erläutern?
Wenn Sie sich vorstellen, dass es bei Temperatur um die Bewegung von Molekülen geht, dann geht es um den Durchschnitt ihrer kinetischen Energie, nicht um die Summe . Ein Topf mit kochendem Wasser (auf Meereshöhe bei normalem Wetter) hat 100 ° C, egal wie groß er ist.

Antworten (3)

Um komplexere Definitionen der Temperatur zu vermeiden (die keine Materie erfordern), könnten Sie stattdessen sagen: "Ein Objekt im interstellaren Raum wäre im thermischen Gleichgewicht mit seiner Umgebung, wenn es eine Temperatur von nahe hat 3 K ."

Die Materie in der Nähe ist zu diffus, um die Temperatur stark zu beeinflussen. Stattdessen ist es hauptsächlich aufgrund von Strahlung ein thermisches Gleichgewicht. Dies ist die gemessene Temperatur des Mikrowellenhintergrunds. Das Objekt hätte die gleiche Temperatur, selbst wenn es in der Nähe ein perfektes Vakuum wäre.

Ja, tatsächlich ist dies in gewisser Weise die grundlegendste Definition der Temperatur: die Eigenschaft, die Ihnen sagt, ob zwei Dinge im thermischen Gleichgewicht sein werden. (Alternativ könnten Sie sich dies als den Grund vorstellen, warum die Temperatur so definiert ist, wie sie ist, in Bezug auf ∂ S / ∂ U .)
Dies ignoriert die Existenz anderer Strahlungsformen, einschließlich optischer und UV-Strahlung von Sternen. Es impliziert auch, dass Gaswolken (die "Objekte im interstellaren Raum" sind) bei 2-3 K liegen sollten, obwohl die meisten dieser Wolken Temperaturen von Hunderten bis Tausenden von K haben (und diffusere Wolken außerhalb von Galaxien Temperaturen in Millionenhöhe haben). von K).

Die Temperatur in einem Gas ist die durchschnittliche kinetische Energie pro Teilchen . Als intrinsische Eigenschaft ist sein Wert vollständig davon entkoppelt, wie viel Zeug die Eigenschaft hat. Ob 100 Partikel pro Kubikzentimeter oder nur 1 Partikel pro Kubikmeter, die Temperatur kann alles sein.

Die kältesten Teile des ISM liegen bei etwa 3 K, und es ist schwierig, noch kälter zu werden, da das gesamte Universum in einem Meer von 3 K-Photonen gebadet ist . Aber einige Teile der ISM sind viel, viel heißer. Das diffuse Gas, das den Raum zwischen Galaxien in Galaxienhaufen füllt, kann Hunderte von Millionen Grad haben. Das bedeutet nur, dass jedes Teilchen sehr schnell herumsaust.

Aha. Aber ich habe immer noch Probleme, den Teil "Meer von 3 K-Photonen" zu verstehen. Sind diese Photonen so zahlreich, dass sie praktisch überall sind? Und wie tragen Photonen zu einer Temperatur bei? Es scheint nicht zu der Vorstellung zu passen, dass Temperatur Partikel sind, die herumflitzen.
Temperatur wird nicht durch „herumschwirrende Teilchen“ definiert. Es ist sehr einfach (und praktisch in alltäglichen Situationen), sich die Temperatur als durchschnittliche kinetische Energie vorzustellen, aber das ist keine vollständige Beschreibung.
@BowlOfRed Für ein ideales Gas aus Teilchen ohne (oder ohne angeregte) innere Freiheitsgrade ist die Temperatur identisch mit der durchschnittlichen kinetischen Energie.
@Phaptitude Es gibt Hunderte Millionen CMB-Photonen pro Kubikmeter. Wie sie eine Temperatur haben, verdient eine längere Antwort (die ich wetten werde, wurde hier schon einmal gefragt). Der Schlüsselbegriff zum Nachschlagen ist "Schwarzkörperstrahlung".

Zu lang, um ein Kommentar zu sein, dies ist eine Erweiterung von Chris 'Antwort.

Angenommen, ein makroskopisches Objekt, beispielsweise ein Thermometer, wurde in das heiße Intracluster-Medium (ICM) platziert, das Chris in seiner Antwort erwähnt hat. Obwohl dieses Thermometer von diesem heißen Gas umgeben ist, wird das Thermometer nicht heiß. Stattdessen kühlt es auf ein kleines bisschen über die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlungstemperatur ab, etwa 2,73 Kelvin. Bei dieser Gleichgewichtstemperatur wird es ein winziges bisschen Energie von der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung absorbieren und es wird auch ein winziges bisschen Energie von extrem seltenen Kollisionen mit diesem heißen Medium erhalten. Es wird auch ein winziges bisschen Strahlung in den Weltraum emittieren, genau gleich der gesamten empfangenen Energie.

Diese Gleichgewichtstemperatur ist so niedrig, weil dort nichts ist, obwohl dieses Medium sehr heiß ist (10 7 bis 10 8 Kelvin). Selbst die dichtesten Teile haben 1000 Partikel pro Kubikmeter. Vergleichen Sie das mit Luft bei Standardtemperatur und -druck, die in der Größenordnung von 10 25 Molekülen pro Kubikmeter liegt, oder in den allerbesten Ultrahochvakuumkammern, die in Physiklabors zu finden sind, die bei 10 -12 Pascal immer noch in der Größenordnung von 10 liegen 8 Moleküle pro Kubikmeter. Nur tausend Partikel oder weniger pro Kubikmeter bedeutet, dass da nichts ist! Laienhaft ausgedrückt hat dieses Medium einen sehr geringen Wärmeinhalt.

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