星間空間はどのくらい寒いですか？

広大な空間は、一度も体験したことがないのに、冷たさを感じさせます。星間空間はどれほど寒いですか（平均）？これはどのように測定されますか？宇宙に温度計を置くだけではいけないということですね。

空間に温度計を貼り付けることができ、それが超ハイテクの場合は、ガスの温度が表示される場合があります。しかし、星間媒体（ISM）は非常に希薄であるため、通常の温度計は吸収できる速度よりも速くエネルギーを放射し、ガスと熱平衡に達しません。ただし、David Hammenが説明したように、宇宙マイクロ波のバックグラウンド放射により2.7 Kを超えて冷却することはできないため、0 K まで冷却されません。

「温度」という用語は、ガスの粒子の平均エネルギーの尺度です（他の定義は、たとえば放射場に対して存在します）。ガスが非常に薄いが、粒子が、たとえば地球の表面と同じ平均速度で移動する場合、ガスの温度は、たとえば27ºCまたは300であると言われています。。$300\,\mathrm{K}$

ISMはいくつかの異なるフェーズで構成され、各フェーズには独自の物理的特性と起源があります。おそらく、最も重要な3つのフェーズは次のとおりです（例：Ferrière2001を参照）。

星は、温度がわずか10〜20 Kの密な分子雲の中で生まれます。星が形成されるためには、ガスが重力で崩壊する必要があります。これは、原子の動きが速すぎると不可能です。

分子雲自体は、中性の、つまりイオン化されていないガスから形成されます。ガスのほとんどは水素であるため、これは約10 4の温度を持つことを意味しますを超えると、水素がイオン化される傾向があります。$10^4\,\mathrm{K}$

初期段階で銀河に付着するガスは、およそ10 6のはるかに高い温度を持つ傾向があります。さらに、熱い星（OとB）からの放射フィードバック、および超新星爆発によって注入された運動エネルギーと放射エネルギーがイオン化し、膨張する気泡を加熱します。このガスは、高温のイオン化媒体を構成します。$10^6\,\mathrm{K}$

あらゆる種類のエネルギーの滑らかな混合物であるのとは対照的に、ISMが非常に鋭くフェーズに分割されている理由は、かなり温度に固有の効率を持つさまざまな物理プロセスによってガスが冷却されるためです。「冷却」とは、粒子の運動エネルギーを、システムを離れることができる放射に変換することを意味します。

非常に高温のガスは完全に衝突イオン化されるため、主に自由電子放出制動放射によって冷却されます。このメカニズムは、下のinefficentなり。$\sim10^6\,\mathrm{K}$

10 4の間および 10 $10^4\,\mathrm{K}$、再結合（つまり、電子がイオンに捕捉される）および衝突励起とそれに続く脱励起により、放出が生じ、システムからエネルギーが除去されます。ここでは、さまざまな元素のエネルギーレベルが異なるため、ガスの金属性 †が重要です。$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

低温では、ガスはほぼ完全に中性であるため、再結合による影響はなくなります。水素原子間の衝突は弱すぎて原子を励起できませんが、分子または金属が存在する場合、それぞれ細線/超細線、および回転/振動線を介して可能です。

総冷却は、これらすべてのプロセスの合計ですが、特定の温度で1つまたはいくつかのプロセスによって支配されます。Sutherland＆Dopita（1993）の以下の図は、温度の関数として、主な冷却プロセス（左）と主な冷却要素（右）を示しています。

太線は総冷却速度を示しています。同じ論文の次の図は、異なる金属性の合計冷却速度を示しています。金属性は対数スケールであるため、[Fe / H] = 0は太陽の金属性を意味し、[Fe / H] = -1は太陽の金属性の0.1倍を意味し、「nil」は金属性がゼロです。

$P$$n$$T$$nT$$10^7\,\mathrm{K}$$10^4\,\mathrm{K}$$10^3$

結論として、星間空間はあなたが思うほど寒くないです。ただし、非常に希薄であるため、熱を伝達することは困難であるため、宇宙船を離れると、ガスから吸収するよりも速くエネルギーを放射します。

$^\dagger$

質問のタイトルは星間空間について尋ねていますが、体は星間媒体について尋ねています。これらは2つの非常に異なる質問です。星間物質の温度は、数ケルビンから1000万ケルビン以上まで大きく変化します。すべてのアカウントで、星間媒体の大部分は少なくとも「ウォーム」であり、「ウォーム」とは数千ケルビンを意味します。

宇宙に温度計を置くだけではいけないということですね。

Star TrekまたはStar Warsテクノロジーがあれば可能です。古いスタイルの電球温度計が星から遠く離れた場所でリリースされたと仮定すると、その温度計の温度はかなり急速に低下し、最終的には約2.7ケルビンで安定します。

古いスタイルの温度計や宇宙服の人間などの巨視的な物体に関しては、星間空間の温度と星間媒体の温度には大きな違いがあります。たとえ局所的な星間物質が数百万ケルビンにあるとしても、その熱い星間物質には物質がないので、その巨視的な物体は約2.7ケルビンまで冷却されます。星間媒体の密度は非常に低いため、放射損失は媒体からの伝導を完全に支配しています。星間媒質は、ガスであるために非常に高温になることがあります（ガスは少し奇妙です）。

さらに複雑な問題が1つあります。星間空間に「冷蔵庫」を設置することが可能です。これらはメーザーとは事実上反対の状況です-関係する材料（この場合はホルムアルデヒド）のエネルギーレベルは、周囲よりも涼しいかのように動作する可能性があります。その結果、宇宙のマイクロ波背景に対してホルムアルデヒドが吸収されていることがわかります。

低密度の星間空間では、個々の原子や分子がどのように振る舞うかの詳細を調べる必要があるという事実のちょうど別の例です。なぜなら、それらは周囲との衝突によって不十分にしかリンクされていないからです。そして、それはいくつかのきちんとした効果になります。

これは歴史的に重要な問題であり、上記の優れた回答にこの歴史について少し追加する価値があると思います。この物語は、「宇宙の温度」の物理的意味を示しています。1940年、McKellar（PASP、vol 52、p187）は、CNとCH分子の回転による線として、1939年に星のスペクトルでAdamsによって以前に見られた、いくつかの奇妙な星間線を特定しました。これらの線は当時ユニークでした。

相対強度は、回転（つまりスピン）が2.7Kの温度での分子と光子の衝突によるものである場合にのみ理解できます。1年後、彼はこれを2.3Kに修正しました。明らかな理由で、彼はこれを「スピン温度」と呼んでいました。これは、回転する分子に由来する温度です。マッケラーの解釈が2.725Kの宇宙背景放射と関連していたのは、それ以外の情報源自体ではなく、宇宙背景放射の発見後の1966年まででした。マッケラーは「宇宙の温度計」を見つけました。

皮肉なことに、1950年にHoyleは、Gamow理論がMcKellarの分析で許可された温度よりも高い温度を宇宙に提供すると言って、Gamowの1949年のホットビッグバンの見解を批判しました。

ニュートリノの宇宙背景は約1.95Kの温度で、2.7Kの宇宙背景光子の温度よりも低くなっています。これらのニュートリノは、光子が消滅電子によって加熱される直前（ビッグバンの約1秒後）に光子と平衡状態にあったため、ここに矛盾はありません。電子の損失により、ニュートリノはそのポイントで光子から切り離され、もはや平衡状態にありません。

したがって、「空間の温度」は、光子またはニュートリノの温度を引用するかどうかに依存し、測定するものは使用する温度計の種類に依存します。時空の曲率も温度に関連付けることができますが、それは別の話です。