La temperatura en el espacio es de aproximadamente 3K, sin embargo, casi no hay átomos en el espacio. ¿Cómo puede haber calor residual?

Cuando nos referimos a los 3 K de temperatura en el espacio, no nos referimos a vibraciones atómicas. La llamada temperatura surge cuando miras al cielo y mides la radiación, que nos llega de todas direcciones. Si cancela todas las estrellas, galaxias y otras fuentes de luz importantes, aún "verá" una radiación de microondas muy isotrópica. Y esta radiación se distribuye como la radiación de un cuerpo negro a una temperatura de 2,73 K ($\approx$3K).

Entonces, ¿de dónde viene esta radiación? Como sabrás, vivimos en un universo acelerado, lo que significa que se está haciendo más grande con el tiempo. Entonces, si invertimos el tiempo, tenemos un universo que se encoge. Pero cuando cada escala de longitud disminuye, también lo hace la longitud de onda de los fotones en el universo. Según esa lógica, la frecuencia media, y por tanto la energía, de un fotón era grande en el pasado.

Ahora bien, hubo un tiempo, cuando la energía promedio de un fotón era tan alta, que no podía haber átomos estables, ya que cada interacción átomo-fotón sería tan fuerte que los electrones abandonarían instantáneamente el átomo. El universo tuvo que aumentar y enfriarse hasta alcanzar una energía de unos 3000 K. Ahora sí podrían existir átomos estables. ¡Los fotones que estamos viendo hoy son fotones que se dispersaron por última vez en este mismo momento! Pero dado que han pasado muchos miles de millones de años, su longitud de onda ha aumentado aún más y en lugar de fotones con un espectro de un cuerpo negro con 3000 K, vemos un espectro 1000 veces más frío, lo que nos permite extrapolar el tiempo de la última dispersión a unos 380000 años. después del big bang (o hace 13.400 millones de años).

Su segunda pregunta puede responderse bajo muchos aspectos diferentes. El primero personalmente me parece bastante divertido: en realidad no estás muerto de frío, ¡estás hirviendo! Dado que no hay presión exterior en el espacio, el punto de ebullición de los fluidos corporales disminuiría rápidamente por debajo de la temperatura de su cuerpo. En un primer momento, sus fluidos pasarán parcialmente a la fase gaseosa y dañarán su tejido al aumentar el volumen y la presión. Pero no te preocupes, no explotarás.

En el siguiente paso, los fluidos corporales habrían perdido tanta temperatura y energía debido al proceso de ebullición que en realidad comenzarían a congelarse. Pero este no ha sido el caso de tu cuerpo hueco. Como has dicho, la única forma de intercambio de calor en el espacio es a través de la radiación, y nuestro cuerpo pierde solo una parte insignificante de su calor de esta manera. ¡Pero absorbemos casi todas las radiaciones! Entonces, bajo la luz solar directa, su espalda se calentaría hasta unos 100$^\circ$C (por encima del punto de ebullición del agua) mientras que su frente está por debajo de 0$^\circ$C (por debajo del punto de congelación del agua). Sin embargo, estarías muerto en menos de un minuto, ¡pero podrías morir en ambos sentidos al mismo tiempo!

La temperatura en el "espacio" no es 3K. Hay muchos átomos (en realidad más iones y electrones) a los que es perfectamente posible atribuirles una temperatura.

Si medimos la temperatura (usando varios diagnósticos espectrales inteligentes) encontramos que el medio interplanetario tiene temperaturas que van desde millones de K cerca del Sol hasta alrededor de 100.000 K en el borde del sistema solar.

El medio interestelar tiene temperaturas que van desde unos pocos K en los núcleos de las nubes moleculares más frías hasta millones de K en las burbujas calientes e ionizadas causadas por los restos de supernovas.

Incluso el espacio entre las galaxias es cálido, con temperaturas de 100 000 a 10 000 000 K.

Estás confundiendo la temperatura del fondo cósmico de microondas con la temperatura en el espacio. Pero el gas y el polvo en el espacio no están en equilibrio con esta radiación. Existen numerosos mecanismos de calentamiento (p. ej., radiación y vientos estelares, supernovas) que mantienen las cosas calientes y los mecanismos de enfriamiento no son lo suficientemente rápidos como para bajar la temperatura a 3 K.

Para la última parte de su pregunta, vea la respuesta de manthano. La baja presión en el espacio significa que tus fluidos corporales hervirían.

El espacio está lleno del fondo cósmico de microondas . Las frecuencias de los fotones están muy bien descritas por una distribución de cuerpo negro que puede tener una temperatura asociada. Como en el caso de los átomos, cuanto mayor es la temperatura, más fotones de alta energía hay.