Зміст:
Наскільки холодно у космосі: які процеси впливають на температуру Всесвіту
Наскільки холодним є космічний простір, чи падає його температура до абсолютного нуля і що буде, якщо потрапити туди без скафандра? Хоча науково-фантастичні фільми змушують нас повірити, що космос неймовірно холодний, навіть крижаний, сам космос не зовсім холодний. Насправді він взагалі не має температури.
Що таке температура і чи є вона у космосі?
Температура складається зі швидкості, з якою рухаються частки, та енергії, яку вони випромінюють під час руху. Таким чином, у дійсно порожньому просторі не було б частинок та випромінювання, а отже, не було б і температури.
Звичайно, космос повний часток, які під час руху випромінюють енергію, а отже виробляють тепло та температуру. Тож наскільки холодно в космосі, чи є область, яка справді порожня, і чи є місце, де температура падає до абсолютного нуля?
Найгарячіші області космосу знаходяться безпосередньо навколо зірок, де є всі умови для запуску ядерного синтезу. Там об’єкти дійсно нагріваються, коли випромінювання зірки сягає точки у космосі з великою кількістю та щільністю частинок на які може впливати температура.
Саме тому Земля набагато тепліша, ніж область між нашою планетою та її зіркою. Тепло походить від частинок у нашій атмосфері, які вібрують із сонячною енергією, а потім стикаються одні з одними, розподіляючи цю енергію.
Скупчення галактик RXJ1347 одне з найгарячіших місць у Всесвіті / Фото NASA
Однак близькість до зірки не завжди є гарантією тепла. Наприклад Меркурій – найближча планета до нашого Сонця. Він неймовірно гарячий вдень і страшенно холодний вночі. Його температура падає до -178 градусів за Цельсієм.
Температура на Урані падає до -224⁰C, що робить його навіть холоднішим, ніж найбільш віддалений від Сонця Нептун. До речі, Нептун все ще жахливо холодний – його температура сягає -214⁰C.
Це результат зіткнення з об’єктом розміром із Землю на початку формування планети, через що Уран, наприклад, обертається навколо Сонця під екстремальним нахилом, що не дає йому утримувати внутрішнє тепло.
Чим далі від зірки, тим холодніше
Вдалині від зірок частинки настільки розкидані (їх щільність менша), що передача тепла через щось, крім випромінювання, неможлива, а це означає, що температура різко падає. Ця область називається міжзоряним простором.
Важливий момент! Залежно від температури, густини й стану іонізації ділянок міжзоряного середовища, температуру в них визначають різні механізми нагрівання та охолодження.
Механізми нагрівання міжзоряного середовища
- Нагрівання низькоенергетичними космічними променями
- Фотоелектричне нагрівання пилу
- Фотоіонізація
- Рентгенівське нагрівання
- Хімічне нагрівання
- Нагрівання частинок пилу
Механізми охолодження міжзоряного середовища
- Охолодження шляхом випромінювання ліній тонкої структури
- Охолодження шляхом випромінювання дозволених ліній
Найхолодніші і щільніші хмари молекулярного газу в міжзоряному середовищі можуть мати температуру -263 ⁰C, тоді як менш щільні хмари можуть мати температуру до -173 ⁰C.
Всесвіт настільки широкий і наповнений такою кількістю об’єктів, що деякі з яких неймовірно гарячі, тоді, як інші неймовірно холодні. Відтак простір просто не може мати єдиної температури.
Водночас існує дещо, що пронизує увесь наш всесвіт з температурою, яка дорівнює одній стотисячній. Насправді відмінність настільки незначна, що різниця між гарячою плямою і холодною складає всього 0,000018 К.
Мовиться про космічний мікрохвильовий фон (КMФ) більш відомий, як Реліктове випромінювання. Воно має однорідну температуру 2,7 K (-270⁰C). Оскільки 0 К – це абсолютний нуль, ця температура всього на 2,725 градуса вища за абсолютний нуль.
Реліктове випромінювання – це залишок події, яка сталася лише через 400 000 років після явища відомого, як Великий вибух. Хоча для правильного розуміння його варто було б назвати Великим розсіюванням. Це момент, коли Всесвіт перестав бути непрозорим після того, як електрони з’єдналися з протонами, утворивши атоми водню, що зупинило нескінченне розсіювання світла електронами та дозволило фотонам вільно подорожувати.
Карта реліктового випромінювання зафіксованого телескопом WMAP протягом 9 років / Фото NASA
Таким чином, ця копалина реліквія, “вморожена” у всесвіт, є останню точкою, коли матерія й фотони були вирівняні з точки зору температури.
Фотони, з яких складається реліктове випромінювання, не завжди були такими холодними, їм знадобилося близько 13,8 мільярда років, щоб дістатися до нас. Розширення Всесвіту призвело до червоного зміщення цих фотонів на нижчі енергетичні рівні.
Реліктове випромінювання виникло, коли Всесвіт був набагато щільнішим і гарячішим, ніж зараз. Його початкова температура оцінюється приблизно в 2726⁰C. Оскільки Всесвіт продовжує розширюватися, це означає, що зараз у космосі холодніше, ніж будь-коли, і температура продовжує падати.
Що станеться, якщо потрапити у космос без скафандра?
Якби астронавта залишили дрейфувати у космосі на самоті, то вплив майже вакууму космосу не міг би заморозити астронавта, як це часто змальовується у науковій фантастиці.
Існує три способи передачі тепла:
- теплопровідність – відбувається через дотик,
- конвекція – відбувається, коли рідини передають тепло,
- та радіація – відбувається через випромінювання.
Провідність та конвекція не можуть відбуватися у порожньому просторі через відсутність речовини, а теплопередача відбувається повільно лише шляхом радіаційних процесів. Це означає, що тепло не передається швидко у космосі.
Оскільки заморожування вимагає теплопередачі, астронавт, який зазнав впливу радіації, – втратив тепло лише шляхом радіаційних процесів, – помре від декомпресії через відсутність атмосфери набагато швидше, ніж замерзне до смерті.
Що станеться з тілом, якщо вийти у відкритий космос без скафандра?
Сценаристи голлівудських блокбастерів люблять нехтувати законами фізики й логікою заради емоційних сцен та епічних картин. Наукова фантастика – не виняток: десь у космосі вибухають космічні кораблі, хтось користується літаками, які згідно з аеродинамікою не мали б літати, а хтось вибухає, горить, кипить, замерзає у космічному просторі. На останньому й зупинимося. Що насправді відбувається із людиною без скафандра, коли вона потрапляє у відкритий космос?
У деяких фільмах показують, як персонажі миттєво замерзають у космосі. Ніби логічно – у глибокому космосі температура всього 2,7°К (-270°С) – це температура реліктового випромінювання, що залишилося з часу, коли у Всесвіті почали утворюватися перші атоми.
Проте теплообмін у космосі відбувається не так, як на Землі. У термодинаміці є три методи передачі тепла – теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання. Оскільки провідність і конвекція не можуть відбуватися без матерії, залишається третій метод – теплове випромінювання.
За годину тіло втратить тепло потужністю близько 100 Вт – цього недостатньо, аби миттєво перетворитися в космічне ескімо. Поки це станеться, тілу вже давно буде байдуже, що з ним відбувається.
Більшою проблемою для людського тіла стане різка зміна атмосферного тиску. Оскільки тиск всередині тіла перевищуватиме тиск навколишнього середовища, гази в тілі, зокрема кисень, почнуть виділятися з крові.
Кров продовжить циркулювати тілом, але вже без кисню. За 15 секунд після виходу у відкритий космос людина знепритомніє від кисневого голодування. Виділені з крові гази почнуть утворювати бульбашки – це спровокує емболію . Через це тіло не розбухне і точно не вибухне, як Даглас Квейд із фільму «Згадати все». А через хвилину після виходу у відкритий космос без скафандра людина помре від кисневого голодування.
Тож насправді все відбувається не так епічно, як у фільмах, але все ж виходити у відкритий космос без скафандра не варто.