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

Question

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

He aprendido que la temperatura es básicamente el movimiento de las partículas, y me resulta un tanto contradictorio que el movimiento de tan pocas partículas pueda causar una temperatura de 2-3K. ¿Existe un cálculo (de orden de magnitud) que pueda demostrar que esta estimación de temperatura promedio es correcta, utilizando una estimación de la densidad promedio del espacio interestelar (o del universo en general)?

Answer 1

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

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

Answer 2

La temperatura en un gas es la energía cinética promedio por partícula. Como una propiedad intrínseca, su valor está completamente desacoplado de cuánta sustancia 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 son 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 galaxias en los cúmulos de galaxias puede estar a cientos de millones de grados. Esto simplemente significa que cada partícula está girando muy rápido.

Answer 3

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 colocara en ese medio intracluster 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 a una temperatura ligeramente superior a la temperatura de radiación de fondo de microondas cósmicas, alrededor de 2,73 Kelvin. A esa temperatura de equilibrio, estará absorbiendo un poco de energía de la radiación de fondo de microondas cósmicas y también recibirá un poco de colisiones extremadamente raras con ese medio caliente. También emitirá un poco de radiación al espacio, exactamente igual a la energía total recibida.

Esa temperatura de equilibrio es tan baja porque, a pesar de que ese medio es muy caliente (107 a 108 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 1025 moléculas por metro cúbico, o las mejores cámaras de ultra alto vacío encontradas en laboratorios de física, que a 10-12 pascal aún tienen del orden de 108 moléculas por metro cúbico. ¡Solo mil partículas o menos por metro cúbico significa que no hay nada allí! En términos simples, ese medio tiene contenido de calor muy bajo.