La temperatura nelle profondità dello spazio

Quando parliamo delle profondità dello spazio, abbiamo nelle nostre teste un’immagine di vuoto. Lo spazio è arido, deserto e in gran parte privo di qualsiasi cosa, tranne che per le “isole” di struttura che permeano l’Universo.

Le distanze tra i pianeti sono enormi, misurate in milioni di chilometri, e quelle distanze sono relativamente piccole rispetto alla distanza media tra le stelle: misurata in anni luce. Le stelle sono raggruppate in galassie, che sono unite da gas, polvere e plasma, sebbene le singole galassie stesse siano separate da lunghezze ancora maggiori.

Nonostante le distanze cosmiche, tuttavia, è impossibile essere completamente schermati da altre fonti di energia nell’Universo. Cosa significa questo per le temperature dello spazio profondo?

Se cerchi online qual è la temperatura dello spazio, ti imbatterai in una varietà di risposte, che vanno da pochi gradi sopra lo zero assoluto a più di un milione di K, a seconda di dove e come guardi. Quando si tratta della questione della temperatura nelle profondità dello spazio, si applicano sicuramente le tre regole cardinali del settore immobiliare: posizione, posizione, posizione.

La prima cosa con cui dobbiamo fare i conti è la differenza tra temperatura e calore. Se prendi una certa quantità di energia termica e la aggiungi in un sistema di particelle allo zero assoluto, quelle particelle accelereranno: guadagneranno energia cinetica. Tuttavia, la stessa quantità di calore cambierà la temperatura di quantità molto diverse a seconda di quante particelle ci sono nel tuo sistema. Per un esempio estremo di ciò, non dobbiamo guardare oltre l’atmosfera terrestre.

Come può attestare chiunque abbia scalato una montagna, più si sale in elevazione, più l’aria intorno a te diventa fredda. Questo non succede a causa di una differenza di distanza dal Sole che emette luce o anche dal suolo radiante della Terra, ma piuttosto a causa di una differenza di pressione: con una pressione più bassa, c’è meno calore e meno collisioni molecolari, e così la temperatura scende.

Ma quando si va ad altitudini estreme – nella termosfera terrestre – la radiazione solare a più alta energia può dividere le molecole in singoli atomi, e poi calciare via gli elettroni da quegli atomi, ionizzandoli.

Anche se la densità delle particelle è minuscola, l’energia per particella è molto alta e queste particelle ionizzate hanno enormi difficoltà a dissipare il loro calore. Di conseguenza, anche se trasportano solo una minuscola quantità di calore, la loro temperatura è tremenda.

Piuttosto che fare affidamento sulla temperatura delle particelle in un particolare ambiente – poiché quella lettura della temperatura dipenderà dalla densità e dal tipo di particelle presenti – è più utile porre la domanda in questo formato: “se io (o qualsiasi oggetto fatto di normale materia) mi trovassi in questo ambiente, che temperatura avrei raggiunto alla fine una volta ottenuto l’equilibrio?

Nella termosfera, ad esempio, anche se la temperatura varia tra 425-925° C, la verità è che in realtà ti congeleresti a morte molto rapidamente in quell’ambiente.

Quando ci dirigiamo nello spazio, quindi, non è la temperatura dell’ambiente che ci circonda che è importante, ma piuttosto le fonti di energia che sono presenti, e quanto sono brave a riscaldare gli oggetti con cui entrano in contatto.

Se salissimo dritto fino a trovarci nello spazio, per esempio, non sarebbe né il calore irradiato dalla superficie terrestre né le particelle dell’atmosfera terrestre a dominare la nostra temperatura, ma piuttosto la radiazione proveniente dal Sole. Anche se ci sono altre fonti di energia, compreso il vento solare, è l’intero spettro della luce del Sole, cioè la radiazione elettromagnetica, che determina la nostra temperatura di equilibrio.

Se ti trovassi nello spazio – come ogni pianeta, luna, asteroide e così via – la tua temperatura sarebbe determinata da qualsiasi valore tu possiedi dove la quantità totale di radiazioni in entrata è uguale alla quantità di radiazioni che hai emesso. Un pianeta con:

• un’atmosfera densa e che intrappola il calore,
• che è più vicino a una fonte di radiazioni,
• è di colore più scuro,
• o che genera il proprio calore interno,

avrà generalmente una temperatura di equilibrio più alta di un pianeta con l’insieme opposto di condizioni. Più radiazioni assorbi e più a lungo mantieni quell’energia prima di irradiarla nuovamente, più caldo diventerai.

Tuttavia, se dovessi prendere lo stesso oggetto e posizionarlo in luoghi diversi nello spazio, l’unica cosa che determinerebbe la sua temperatura è la sua distanza da tutte le diverse fonti di calore nelle sue vicinanze. Non importa dove ti trovi, è la distanza da ciò che ti circonda – stelle, pianeti, nuvole di gas, ecc. – che determina la tua temperatura. Maggiore è la quantità di radiazioni che ti colpiscono, più caldo diventi.

Per qualsiasi sorgente che emette radiazioni, esiste una semplice relazione che aiuta a determinare quanto luminosa ti appare quella sorgente di radiazione: la luminosità diminuisce come uno sulla distanza al quadrato. Questo incide su:

• il numero di fotoni che ti influenzano,
• il flusso incidente su di te,
• e la quantità totale di energia da te assorbita,

tutti diminuiscono quanto più ci si allontana da un oggetto che emette radiazioni.

Raddoppia la tua distanza e riceverai solo un quarto della radiazione. Triplicala e riceverai solo un nono. Aumentala di un fattore dieci e otterrai solo un centesimo della radiazione originale. Oppure puoi viaggiare mille volte più lontano e un misero milionesimo delle radiazioni ti colpirà.

Alla distanza della Terra dal Sole – 150 milioni di chilometri – possiamo calcolare quale sarebbe la temperatura per un oggetto con lo stesso spettro di riflettività/assorbimento della Terra, ma senza atmosfera per trattenere il calore. La temperatura di un tale oggetto sarebbe di -21 °C, ma poiché non ci piace avere a che fare con temperature negative, parliamo più frequentemente in termini di kelvin, dove questa temperatura sarebbe di ~252 K.

Nella maggior parte dei luoghi del Sistema Solare, il Sole è la fonte primaria di calore e radiazione, il che significa che è il principale arbitro della temperatura all’interno del nostro Sistema Solare. Se dovessimo posizionare lo stesso oggetto che è ~ 252 K alla distanza della Terra dal Sole nella posizione degli altri pianeti, troveremmo che è la seguente temperatura a:

• Mercurio, 404 K,
• Venere, 297 K,
• Marte, 204 K,
• Giove, 111 K,
• Saturno, 82 K,
• Urano, 58 K,
• e Nettuno, 46 ​​K.

C’è un limite, tuttavia, a quanto freddo otterrai continuando a viaggiare lontano dal Sole. Quando sei a più di qualche centinaio di volte la distanza Terra-Sole, o circa l’1% di un anno luce distante dal Sole, la radiazione che ti colpisce non proviene più principalmente da una sola fonte puntiforme.

Invece, le radiazioni delle altre stelle nella galassia, così come le radiazioni (a bassa energia) dei gas e dei plasmi nello spazio, inizieranno a riscaldare anche te. Man mano che ti allontani sempre più dal Sole, inizierai a notare che la tua temperatura semplicemente si rifiuta di scendere al di sotto di circa ~10-20 K.

Tra le stelle della nostra galassia, la materia può essere trovata in tutti i tipi di fasi, inclusi solidi, gas e plasmi. Tre importanti esempi di questa materia interstellare sono:

• nubi molecolari di gas, che collasseranno solo quando la temperatura all’interno di queste nubi scenderà al di sotto di un valore critico,
• gas caldo, principalmente idrogeno, che sfreccia intorno a causa del suo riscaldamento dalla luce delle stelle,
• e plasmi ionizzati, che si verificano principalmente vicino alle stelle e alle regioni di formazione stellare, che si trovano principalmente vicino alle stelle più giovani, più calde e più blu.

Mentre i plasmi possono raggiungere tipicamente e facilmente temperature di ~ 1 milione di K, e il gas caldo raggiunge tipicamente temperature di poche migliaia di K, le nubi molecolari molto più dense sono solitamente fredde, a ~ 30 K o meno.

Tuttavia, non lasciarti ingannare da questi grandi valori di temperatura. La maggior parte di questa materia è incredibilmente scarsa e trasporta pochissimo calore; se dovessi posizionare un oggetto solido fatto di materia normale negli spazi in cui esiste questa materia, l’oggetto si raffredderebbe tremendamente, irradiando molto più calore di quello che assorbe.

In media, la temperatura dello spazio interstellare – quando sei ancora all’interno di una galassia – si trova tra 10 K e “poche decine” di K, a seconda di quantità come la densità del gas e il numero di stelle nelle vicinanze.

Probabilmente hai sentito, abbastanza correttamente, che la temperatura dell’Universo è di circa 2,7 K, tuttavia, è un valore molto più freddo di quello che troverai nella maggior parte dei luoghi della galassia.

Questo perché puoi lasciare la maggior parte di queste fonti di calore alle spalle andando nella giusta posizione nell’Universo. Lontano da tutte le stelle, lontano dalle dense o addirittura sparse nubi di gas che esistono, tra i tenui plasmi intergalattici, nelle regioni più sottodense di tutte, nessuna di queste fonti di calore o radiazione è significativa.

L’unica cosa con cui fare i conti è l’unica inevitabile fonte di radiazione nell’Universo: la radiazione cosmica di fondo a microonde, essa stessa un residuo del Big Bang stesso.

Con circa 411 fotoni per centimetro cubo, uno spettro di corpo nero e una temperatura media di 2,7255 K, un oggetto lasciato nelle profondità dello spazio intergalattico si riscalderebbe ancora fino a questa temperatura. Ai limiti di densità più bassi ottenibili oggi nell’Universo, 13,8 miliardi di anni dopo il Big Bang, questo è il più freddo possibile.

Solo che c’è un meccanismo dell’Universo che, naturalmente, può arrivare a temperature ancora più basse. Ogni volta che hai una nuvola di gas o un plasma, hai la possibilità, indipendentemente dalla sua temperatura, di cambiare rapidamente il volume che occupa.

Se contrai rapidamente il volume, la tua materia si riscalda; se espandi rapidamente il volume, la tua materia si raffredda. Di tutti gli oggetti ricchi di gas e plasma che si espandono nell’Universo, quelli che lo fanno più rapidamente sono le stelle giganti rosse che espellono i loro strati esterni: quelle che formano le nebulose preplanetarie.

Di tutti questi, il più freddo osservato è la Nebulosa Boomerang. Sebbene al centro ci sia un’energica stella gigante rossa, e da essa vengono emessi sia luce visibile che infrarossa in due lobi giganti, il materiale in espansione espulso dalla stella si è raffreddato così rapidamente che è effettivamente al di sotto della temperatura del fondo cosmico a microonde.

Allo stesso tempo, a causa della densità e dell’opacità dell’ambiente, quella radiazione non può entrare, consentendo a questa nebulosa di rimanere a solo ~ 1 K, rendendola la posizione naturale più fredda nell’Universo conosciuto.

Molto probabilmente, molte nebulose preplanetarie sono anche più fredde del fondo cosmico a microonde, il che significa che all’interno delle galassie ci sono occasionalmente luoghi più freddi delle profondità più profonde dello spazio intergalattico.

Se avessimo un facile accesso alle profondità più profonde dello spazio intergalattico, costruire un osservatorio come il James Webb Space Telescope sarebbe un compito molto più semplice.

Lo schermo solare a cinque strati, che raffredda passivamente il telescopio fino a circa ~70 K, sarebbe del tutto inutile. Il refrigerante attivo, che viene pompato e scorre attraverso l’interno del telescopio, raffreddando l’ottica e lo strumento del medio infrarosso fino a ~7 K, sarebbe ridondante. Tutto quello che dovremmo fare sarebbe posizionarlo nello spazio intergalattico e si raffredderebbe passivamente, da solo, fino a ~2,7 K.

Ogni volta che chiedi qual è la temperatura dello spazio, non puoi conoscere la risposta senza sapere dove ti trovi e quali fonti di energia ti stanno influenzando.

Non lasciarti ingannare da ambienti estremamente caldi ma radi; le particelle potrebbero essere ad alta temperatura, ma non ti riscalderanno tanto quanto ti raffredderai.

Vicino a una stella, la radiazione della stella domina. All’interno di una galassia, la somma della luce stellare più il calore irradiato dal gas determina la tua temperatura. Lontano da tutte le altre sorgenti, domina la radiazione cosmica di fondo a microonde. E all’interno di una nebulosa in rapida espansione, puoi raggiungere le temperature più fresche di tutte: la più vicina che l’Universo abbia mai raggiunto lo zero assoluto.