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

Question

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

Aprendí que la temperatura es básicamente el meneo de la materia, y me parece algo contraintuitivo que el meneo de tan pocas partículas pueda causar una temperatura de 2-3K. ¿Hay algún cálculo (de orden de magnitud) que pueda demostrar que esta estimación de la temperatura media es correcta, utilizando una estimación de la densidad media del espacio interestelar (o del universo en general)?

Answer 1

Para evitar definiciones más complejas de la temperatura (que no requieren materia), se 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 $3K$ ."

La materia cercana es demasiado difusa para afectar mucho a la temperatura. En cambio, se trata de un 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.

Answer 2

La temperatura de un gas es la energía cinética media por partícula . Como propiedad intrínseca su valor está totalmente desvinculado de la cantidad de cosas que tiene la propiedad. Tanto si hay 100 partículas por centímetro cúbico como si sólo hay una partícula por metro cúbico, la temperatura puede ser cualquier cosa.

Las partes más frías del ISM son de unos 3 K, y conseguir más frío 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 ser de cientos de millones de grados. Esto sólo significa que cada partícula está zumbando muy rápido.

Answer 3

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

Supongamos que un objeto macroscópico, un termómetro, por ejemplo, se coloca en ese medio caliente intracluster (ICM) que Chris mencionó en su respuesta. Aunque ese termómetro esté rodeado por este gas caliente, el termómetro no se calentará. Por el contrario, se enfriará un poco por encima de la temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas, unos 2,73 Kelvin. A esa temperatura de equilibrio, absorberá un poco de energía de la radiación cósmica de fondo de microondas y también recibirá un poco de energía de las 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 está muy caliente (10 7 a 10 8 Kelvin), no hay nada allí. Incluso las partes más densas tienen 1000 partículas por metro cúbico. Compara 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 ultravacío que se encuentran en los laboratorios de física, que a 10 -12 pascal todavía tienen del orden de 10 8 moléculas por metro cúbico. Sólo mil partículas o menos por metro cúbico significa que no hay nada. En términos sencillos, ese medio tiene un contenido de calor muy bajo.