星际空间有多冷？

尽管我从未想过，但广阔的空间给我带来了冷淡的感觉，尽管我从未经历过。星际空间到底有多冷（平均）？怎么衡量呢？我的意思是你不能只将温度计放在太空中，对吗？

您可以将温度计放在太空中，如果它是超高科技的温度计，它可能会向您显示气体的温度。但是，由于星际介质（ISM）如此稀薄，普通温度计会辐射出比其吸收能量更快的能量，因此它不会与气体达到热平衡。但是，由于宇宙微波背景辐射不允许其冷却到超过2.7 K，所以它不会一直冷却到0 K （如David Hammen所述）。

$300\,\mathrm{K}$

ISM由几个不同的阶段组成，每个阶段都有自己的物理特征和起源。可以说，三个最重要的阶段是（例如参见Ferrière2001）：

恒星诞生于温度仅为10-20 K的稠密分子云中。为了形成恒星，气体必须能够在重力作用下坍塌，如果原子移动太快，这是不可能的。

$10^4\,\mathrm{K}$

$10^6\,\mathrm{K}$

与仅将各种能量的粒子平滑地混合在一起相比，ISM之所以如此迅速地将其划分为多个阶段，是因为气体通过各种物理过程进行冷却，这些过程具有相当高的特定于温度的效率。“冷却”是指将颗粒的动能转换为能够离开系统的辐射。

$\sim10^6\,\mathrm{K}$

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

在较低温度下，气体几乎完全是中性的，因此复合不再有任何影响。氢原子之间的碰撞变得太弱而无法激发原子，但是如果存在分子或金属，则可以分别通过细/超细线和旋转/振动线来实现。

总冷却量是所有这些过程的总和，但是在给定温度下将由一个或几个过程控制。从下面的附图萨瑟兰＆Dopita（1993）示出了主冷却过程（左）与主冷却元件（右），作为温度的一个函数：

粗线表示总的冷却速率。下图来自同一篇论文，显示了不同金属的总冷却速率。金属度是对数标度，因此[Fe / H] = 0表示太阳金属度，[Fe / H] = –1表示太阳金属度的0.1倍，而“ nil”是零金属度。

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

因此，总而言之，星际空间并不像您想象的那样寒冷。但是，由于稀释度极高，因此很难传递热量，因此，如果离开太空船，辐射出的能量将比从气体中吸收能量的速度快。

$^\dagger$

问题的标题询问星际空间，而身体询问星际介质。这是两个截然不同的问题。星际介质的温度变化很大，从几个开尔文到超过一千万个开尔文。众所周知，星际介质的绝大多数至少是“温暖的”，其中“温暖的”是指数千开尔文。

我的意思是你不能只将温度计放在太空中，对吗？

如果您拥有《星际迷航》或《星球大战》技术，则可以。假设一个老式灯泡温度计在远离恒星的地方放出，该温度计的温度将很快下降，最终稳定在约2.7开尔文。

对于老式温度计或太空服中的人等宏观物体，星际空间的温度与星际介质的温度之间存在很大差异。即使本地星际介质位于数百万开尔文中，该宏观物体仍将冷却至约2.7开尔文，因为该热的星际介质中没有物质。星际介质的密度是如此之低，以至于辐射损耗完全超过了介质的传导。星际介质之所以会非常热，恰恰是因为它是一种气体（气体有点怪异），并且因为它非常微弱（极微弱的气体超出了怪异）。

只是进一步的并发症。可以在星际空间设置“冰箱”。这些情况实际上与masers相反-所涉及材料（在这种情况下为甲醛）的能级可能最终表现得好像比周围环境凉爽。结果，您可以看到甲醛在宇宙微波背景下被吸收。

这是一个事实的另一个例子，在低密度的星际空间中，您必须查看各个原子和分子行为方式的细节，因为它们仅通过碰撞与周围环境紧密连接。这带来了一些整洁的效果。

这是一个历史性的重要问题，我认为值得在上述出色的回应中加入一些关于这一历史的内容。这个故事说明了“ 空间温度 ”的物理含义。在1940年，McKellar（PASP，第52卷，第187页）确定了一些奇怪的星际线，这是亚当斯在1939年在恒星光谱中看到的，由于CN和CH分子的旋转而成为线。这些线在当时是独一无二的。

仅当旋转（即自旋）是由于分子与光子在2.7K的温度下的碰撞而引起的时，才能理解它们的相对强度。一年后，他将此修改为2.3K。由于明显的原因，他将其称为“ 旋转温度 ”：源自旋转分子的温度。没有其他消息来源提出建议，直到1966年，发现宇宙背景辐射之后，麦凯拉的解释才与2.725K的宇宙背景辐射联系在一起。麦凯拉发现了一个“ 太空温度计 ”。

具有讽刺意味的是，霍伊尔（Hoyle）在1950年批评了盖莫（Gamow）1949年的一次大爆炸，认为盖莫（Gamow）理论将为太空提供比麦凯勒（McKellar）分析所允许的更高的温度。

中微子的宇宙背景温度约为1.95K，低于2.7K的宇宙背景光子的温度。这里没有矛盾，因为这些中微子曾经在光子被the灭的电子加热之前（大爆炸后约1秒）与光子达到平衡。电子的损失导致中微子在该点与光子解耦，并且不再处于平衡状态。

因此，“空间温度”取决于您引用的是光子温度还是中微子温度，测量的内容取决于所使用的温度计。时空的曲率也可能与温度有关，但这是另一回事。