¿Cómo puede el espacio interestelar tener una temperatura de 2-3K?

Varias fuentes diferentes en línea afirman que la temperatura promedio del espacio interestelar (o del universo en general) es de alrededor de 2-3K.

Aprendí que la temperatura es básicamente el movimiento de la materia, y encuentro algo contradictorio que el movimiento de tan pocas partículas pueda causar una temperatura de 2-3K. ¿Existe un cálculo (de orden de magnitud) que pueda mostrar que esta estimación de temperatura promedio es correcta, usando una estimación de la densidad promedio del espacio interestelar (o del universo en general)?

Comience por abandonar la idea de que la materia o la energía consisten en ondas o partículas. Las partículas no son realmente partículas, pero tampoco son ondas. en.wikipedia.org/wiki/Wave%E2%80%93particle_dualidad
@Jodrell No está claro qué tiene que ver realmente la dualidad onda-partícula con esta pregunta. ¿Puedes elaborar?
Si piensas que la temperatura se relaciona con el movimiento de las moléculas, entonces se trata del promedio de su energía cinética, no de la suma . Una olla de agua hirviendo (al nivel del mar, en un clima normal) está a 100C, no importa cuán grande sea.

Respuestas (3)

Para evitar definiciones más complejas de temperatura (que no requieren materia), podría decir en su lugar que "un objeto en el espacio interestelar estaría en equilibrio térmico con su entorno cuando está a una temperatura cercana a 3 k ."

La materia cercana es demasiado difusa para afectar mucho la temperatura. En cambio, es el equilibrio térmico debido principalmente a la radiación. Esta es la temperatura medida del fondo de microondas. El objeto tendría la misma temperatura incluso si hubiera un vacío perfecto en las cercanías.

Sí, de hecho, esta es, en cierto sentido, la definición más fundamental de temperatura: la propiedad que te dice si dos cosas estarán en equilibrio térmico. (O, alternativamente, podría pensar en esto como la razón por la cual la temperatura se define como es, en términos de ∂ S / ∂ tu .)
Esto ignora la existencia de otras formas de radiación, incluida la radiación óptica y ultravioleta de las estrellas. También implica que las nubes de gas (que son "objetos en el espacio interestelar") deberían estar a 2-3 K, aunque la mayoría de esas nubes tienen temperaturas de cientos a miles de K (y las nubes más difusas fuera de las galaxias tienen temperaturas de millones). de K).

La temperatura en un gas es la energía cinética promedio por partícula . Como propiedad intrínseca, su valor está completamente desvinculado de la cantidad de cosas que tiene la propiedad. Ya sea que haya 100 partículas por centímetro cúbico o solo 1 partícula por metro cúbico, la temperatura puede ser cualquier cosa.

Las partes más frías del ISM tienen alrededor de 3 K, y enfriarse más que esto es difícil, porque todo el universo está bañado en un mar de fotones de 3 K. Pero algunas partes del ISM son mucho, mucho más calientes. El gas difuso que llena el espacio entre las galaxias en los cúmulos de galaxias puede tener cientos de millones de grados. Esto solo significa que cada partícula está zumbando muy rápido.

Ya veo. Pero todavía tengo problemas para entender la parte del "mar de fotones de 3 K". ¿Son estos fotones tan numerosos que están básicamente en todas partes? Además, ¿cómo contribuyen los fotones a la temperatura? No parece encajar con la idea de que la temperatura son partículas zumbando.
La temperatura no está definida por "partículas que zumban". Es muy simple (y conveniente en situaciones cotidianas) pensar en la temperatura como energía cinética promedio, pero esa no es una descripción completa.
@BowlOfRed Para un gas ideal de partículas sin grados de libertad internos (o sin excitación), la temperatura es idéntica a la energía cinética promedio.
@Phaptitude Hay cientos de millones de fotones CMB por metro cúbico. En cuanto a cómo tienen temperatura, eso merece una respuesta más larga (que apuesto a que se ha preguntado aquí antes). La frase clave para buscar es "radiación de cuerpo negro".

Demasiado largo para ser un comentario, esta es una extensión de la respuesta de Chris.

Supongamos que un objeto macroscópico, un termómetro, por ejemplo, se coloca en ese medio intracúmulo caliente (ICM) que Chris mencionó en su respuesta. Aunque ese termómetro esté rodeado por este gas caliente, el termómetro no se calentará. En cambio, se enfriará un poco por encima de la temperatura de radiación de fondo de microondas cósmico, alrededor de 2,73 Kelvin. A esa temperatura de equilibrio, absorberá una pequeña cantidad de energía de la radiación cósmica de fondo de microondas y también recibirá una pequeña cantidad de colisiones extremadamente raras con ese medio caliente. También emitirá una pequeña cantidad de radiación al espacio, exactamente igual a la energía total recibida.

Esa temperatura de equilibrio es tan baja porque aunque ese medio esté muy caliente (10 7 a 10 8 Kelvin), no hay nada allí. Incluso las partes más densas tienen 1000 partículas por metro cúbico. Compare eso con el aire a temperatura y presión estándar, que tiene del orden de 10 25 moléculas por metro cúbico, o las mejores cámaras de ultra alto vacío que se encuentran en los laboratorios de física, que a 10 -12 pascales todavía tienen del orden de 10 8 moléculas por metro cúbico. ¡Solo mil partículas o menos por metro cúbico significa que no hay nada allí! En términos simples, ese medio tiene un contenido de calor muy bajo.

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