À quel point l'espace interstellaire est-il froid?

L'immensité de l'espace m'apporte un sentiment de froideur même si je ne l'ai jamais vécu, même si je le souhaite. À quel point l'espace interstellaire est-il froid (en moyenne)? Comment est-ce même mesuré? Je veux dire que vous ne pouvez pas simplement coller un thermomètre dans l'espace, non?

Vous pouvez coller un thermomètre dans l'espace, et s'il s'agit d'un thermomètre de très haute technologie, il pourrait vous montrer la température du gaz. Mais comme le milieu interstellaire (ISM) est si dilué, un thermomètre normal irradiera l'énergie plus rapidement qu'il ne pourra l'absorber, et il n'atteindra donc pas l'équilibre thermique avec le gaz. Cependant, il ne refroidira pas jusqu'à 0 K, car le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques ne lui permettra pas de refroidir plus de 2,7 K, comme décrit par David Hammen.

Le terme "température" est une mesure de l'énergie moyenne des particules d'un gaz (d'autres définitions existent par exemple pour un champ de rayonnement). Si le gaz est très mince, mais que les particules se déplacent à la même vitesse moyenne qu'à la surface de la Terre, par exemple, le gaz aurait toujours une température de, disons, 27 ° C, soit .$300\,\mathrm{K}$

L'ISM se compose de plusieurs phases différentes, chacune avec ses propres caractéristiques physiques et origines. On peut soutenir que les trois phases les plus importantes sont (voir par exemple Ferrière 2001 ):

Les étoiles naissent dans des nuages ​​moléculaires denses avec des températures de seulement 10-20 K. Pour qu'une étoile se forme, le gaz doit pouvoir s'effondrer gravitationnellement, ce qui est impossible si les atomes se déplacent trop vite.

Les nuages ​​moléculaires eux-mêmes se forment à partir d'un gaz neutre, c'est-à-dire non ionisé. Étant donné que la majeure partie du gaz est de l'hydrogène, cela signifie qu'il a une température d'environ , au-dessus duquel l'hydrogène a tendance à s'ioniser.$10^4\,\mathrm{K}$

Le gaz qui s'accumule sur la galaxie dans ses premières phases a tendance à avoir une température beaucoup plus élevée, d'environ . De plus, la rétroaction radiative des étoiles chaudes (O et B) et l'énergie cinétique et radiative injectée par les explosions de supernova s'ionisent et chauffent des bulles de gaz qui se dilatent. Ce gaz comprend le milieu ionisé chaud.$10^6\,\mathrm{K}$

La raison pour laquelle l'ISM est si fortement divisé en phases, au lieu d'être simplement un mélange lisse de particules de toutes sortes d'énergies, est que le gaz se refroidit par divers processus physiques qui ont une efficacité plutôt spécifique à la température. Le «refroidissement» signifie la conversion de l'énergie cinétique des particules en un rayonnement capable de quitter le système.

Le gaz très chaud est entièrement ionisé par collision et se refroidit donc principalement par Bremsstrahlung émettant des électrons libres. Ce mécanisme devient inefficace en dessous de .$\sim10^6\,\mathrm{K}$

Entre et 10 $10^4\,\mathrm{K}$$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

À des températures plus basses, le gaz est presque entièrement neutre, donc les recombinaisons cessent d'avoir toute influence. Les collisions entre l'atome d'hydrogène deviennent trop faibles pour exciter les atomes, mais si des molécules ou des métaux sont présents, cela est possible par des lignes fines / hyperfines et des lignes de rotation / vibration, respectivement.

Le refroidissement total est la somme de tous ces processus, mais sera dominé par un ou quelques processus à une température donnée. Les figures ci-dessous de Sutherland & Dopita (1993) montrent les principaux processus de refroidissement (à gauche) et les principaux éléments de refroidissement (à droite ), en fonction de la température:

La ligne épaisse indique la vitesse de refroidissement totale. La figure ci-dessous, tirée du même papier, montre la vitesse de refroidissement totale pour différentes métallités. La métallicité est une échelle logarithmique, donc [Fe / H] = 0 signifie la métallicité solaire, et [Fe / H] = –1 signifie 0,1 fois la métallicité solaire, tandis que "zéro" est une métallicité nulle.

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

Donc, pour conclure, l'espace interstellaire n'est pas aussi froid qu'on pourrait le penser. Cependant, étant extrêmement dilué, il est difficile de transférer la chaleur, donc si vous quittez votre vaisseau spatial, vous rayonnerez l'énergie plus rapidement que vous ne pourrez l'absorber du gaz.

$^\dagger$

Le titre de la question porte sur l'espace interstellaire, mais le corps interroge sur le milieu interstellaire. Ce sont deux questions très différentes. La température du milieu interstellaire varie considérablement, de quelques kelvins à plus de dix millions de kelvins. Par tous les comptes, la grande majorité du milieu interstellaire est au moins "chaud", où "chaud" signifie plusieurs milliers de kelvins.

Je veux dire que vous ne pouvez pas simplement coller un thermomètre dans l'espace, non?

Vous pouvez le faire si vous disposez de la technologie Star Trek ou Star Wars . En supposant un thermomètre à bulbe à l'ancienne libéré dans un endroit éloigné d'une étoile, la température de ce thermomètre chuterait assez rapidement, pour finalement se stabiliser à environ 2,7 degrés kelvin.

En ce qui concerne un objet macroscopique tel qu'un thermomètre à l'ancienne ou un humain dans une combinaison spatiale, il y a une grande différence entre la température de l'espace interstellaire et la température du milieu interstellaire. Même si le milieu interstellaire local se trouve dans des millions de kelvins, cet objet macroscopique refroidira toujours à environ 2,7 kelvins car il n'y a pas de substance dans ce milieu interstellaire chaud. La densité du milieu interstellaire est si très, très faible que les pertes de rayonnement dominent complètement sur la conduction du milieu. Le milieu interstellaire peut être très chaud précisément parce qu'il est un gaz (les gaz sont un peu bizarres) et parce qu'il est extrêmement ténu (les gaz extrêmement ténus sont au-delà de l'étrange).

Encore une complication. Il est possible d'installer des "réfrigérateurs" dans l'espace interstellaire. Ce sont des situations qui sont en réalité l'opposé des masers - les niveaux d'énergie du matériau impliqué (dans ce cas, le formaldéhyde) peuvent finir par se comporter comme s'ils étaient plus froids que l'environnement. En conséquence, vous pouvez voir le formaldéhyde en absorption sur le fond cosmique des micro-ondes.

Juste un autre exemple du fait que, aux faibles densités de l'espace interstellaire, vous devez examiner les détails du comportement des atomes et des molécules individuels, car ils ne sont que faiblement liés par des collisions avec l'environnement. Et cela donne des effets soignés.

C'est une question historiquement importante et je pense qu'il vaut la peine d'ajouter un peu sur cette histoire aux excellentes réponses données ci-dessus. L'histoire illustre la signification physique de « température de l'espace ». En 1940, McKellar (PASP, vol 52. p187) a identifié d'étranges raies interstellaires, vues auparavant par Adams en 1939 dans le spectre d'une étoile, comme des raies dues à la rotation des molécules CN et CH. Ces lignes étaient à l'époque uniques.

Leurs intensités relatives ne pouvaient être comprises que si la rotation (c'est-à-dire le spin) était due aux collisions des molécules avec des photons à une température de 2,7K. Un an plus tard, il l'a révisé à 2,3K. Pour des raisons évidentes, il a appelé cela la " température de spin ": la température dérivée des molécules en rotation. Aucune autre source ne s'est suggérée, et ce n'est qu'en 1966, après la découverte du rayonnement de fond cosmique, que l'interprétation de McKellar a été liée au rayonnement de fond cosmique à 2,725 K. McKellar avait trouvé un " thermomètre dans l'espace ".

Ironiquement, Hoyle en 1950 a critiqué la vision de Gamow en 1949 d'un big bang chaud en disant que la théorie de Gamow fournirait une température à l'espace plus élevée que celle permise par l'analyse de McKellar.

Le fond cosmique des neutrinos est à une température d'environ 1,95 K, en dessous de celle des photons du fond cosmique à 2,7 K. Il n'y a pas d'incohérence ici parce que ces neutrinos étaient autrefois en équilibre avec les photons juste avant que les photons ne soient chauffés par les électrons annihilants (~ 1 seconde après le big bang). La perte d'électrons a entraîné le découplage des neutrinos des photons à ce point et n'est plus en équilibre.

Ainsi, la «température de l'espace» dépend de si vous citez la température du photon ou du neutrino, et ce que vous mesurez dépend du type de thermomètre que vous utilisez. La courbure de l'espace-temps peut également être associée à une température, mais c'est une autre histoire.