इंटरस्टेलर स्पेस कितना ठंडा है?

Question

अंतरिक्ष की विशालता मेरे मन में ठंडक का अहसास कराती है, हालांकि मैंने कभी इसका अनुभव नहीं किया है, हालांकि मैं चाहता हूं। इंटरस्टेलर स्पेस कितना ठंडा है (औसतन)? यह कैसे मापा जाता है? मेरा मतलब है कि आप अंतरिक्ष में थर्मामीटर नहीं रख सकते हैं, है ना?

Comments

यदि आप निकट और दूर के तारों से विकिरण घटना को छोड़ देते हैं, और आपके थर्मामीटर पर कण लग जाते हैं, और सही मायने में इंटरस्टेलर स्पेस के तापमान को मापने की कोशिश करते हैं, तो दूसरे शब्दों में, स्वयं वैक्यूम, आपको लगता है कि अंतरिक्ष में तापमान नहीं है। यदि आप मापक उपकरण को नहीं पकड़ रहे हैं और यह स्वयं कोई ऊर्जा पैदा नहीं कर रहा है, तो जो भी गर्मी इसे विकीर्ण करती है, और अंततः आपका थर्मामीटर लगभग पूर्ण शून्य तक गिर जाता है। लेकिन फिर भी, आप निर्वात के तापमान को नहीं माप सकते हैं, बस थर्मामीटर का तापमान।

— हॉवर्ड मिलर

Answer 1

आप अंतरिक्ष में एक थर्मामीटर छड़ी कर सकते हैं, और यदि यह एक सुपर-हाई-टेक है, तो यह आपको गैस का तापमान दिखा सकता है। लेकिन चूंकि इंटरस्टेलर माध्यम (ISM) इतना पतला होता है, एक सामान्य थर्मामीटर इसे अवशोषित करने की तुलना में तेजी से ऊर्जा को विकीर्ण करेगा, और इस तरह यह गैस के साथ थर्मल संतुलन तक नहीं पहुंचेगा। यह 0 K के लिए सभी तरह से ठंडा नहीं होगा, हालांकि, चूंकि कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड रेडिएशन इसे 2.7 K से आगे ठंडा नहीं होने देगा, जैसा कि डेविड हैमेन द्वारा वर्णित है।

"तापमान" शब्द गैस के कणों की औसत ऊर्जा का एक उपाय है (विकिरण क्षेत्र के लिए अन्य परिभाषाएँ मौजूद हैं)। यदि गैस बहुत पतली है, लेकिन कण उसी औसत गति से चलते हैं, जैसे कि, पृथ्वी की सतह पर, गैस को तब भी कहा जाता है, जिसका तापमान, 27º C, या ।$300\,\mathrm{K}$

आईएसएम में कई अलग-अलग चरण होते हैं, जिनमें से प्रत्येक की अपनी शारीरिक विशेषताओं और उत्पत्ति के साथ है। संभवतः, तीन सबसे महत्वपूर्ण चरण हैं (उदाहरण के लिए फ़ेरीयर 2001 देखें ):

आणविक बादल

तारे केवल 10-20 K के तापमान के साथ घने आणविक बादलों में पैदा होते हैं। एक तारे के बनने के लिए, गैस को गुरुत्वाकर्षण को गिराने में सक्षम होना चाहिए, जो कि परमाणुओं के बहुत तेज चलने पर असंभव है।

गर्म तटस्थ माध्यम

आणविक बादल स्वयं गैस से बनते हैं जो तटस्थ है, अर्थात आयनित नहीं है। चूंकि अधिकांश गैस हाइड्रोजन है, इसका मतलब है कि इसमें लगभग तापमान होता है, जिसके ऊपर हाइड्रोजन आयनित हो जाता है।$10^4\,\mathrm{K}$

गर्म आयनीकृत माध्यम

गैस जो कि अपने शुरुआती चरणों में आकाशगंगा पर पहुंचती है, का तापमान बहुत बड़ा होता है, लगभग । इसके अतिरिक्त, गर्म सितारों (ओ और बी) से विकिरण प्रतिक्रिया, और सुपरनोवा विस्फोट आयनों और गर्मी गैस के बुलबुले द्वारा इंजेक्ट की जाने वाली गतिज और विकिरण ऊर्जा का विस्तार होता है। इस गैस में गर्म आयनित माध्यम होता है।$10^6\,\mathrm{K}$

शीतलक

कारण यह है कि आईएसएम को इतनी तेजी से चरणों में विभाजित किया जाता है, जितना कि सभी प्रकार की ऊर्जाओं के कणों के एक सहज मिश्रण के विपरीत, यह है कि विभिन्न शारीरिक प्रक्रियाओं द्वारा गैस ठंडा होती है जिसमें तापमान-विशिष्ट दक्षता होती है। "कूलिंग" का अर्थ है कणों की गतिज ऊर्जा को विकिरण में परिवर्तित करना जो सिस्टम को छोड़ने में सक्षम है।

गर्म गैस

बहुत गर्म गैस पूरी तरह से मिली-जुली आयनीकृत होती है और इस प्रकार मुख्य रूप से मुक्त इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित ब्रम्हस्त्रह्लुंग के माध्यम से ठंडी होती है। यह तंत्र नीचे हो जाता है ।$\sim10^6\,\mathrm{K}$

गर्म गैस

के बीच और , recombinations (यानी इलेक्ट्रॉनों आयनों द्वारा पकड़ा जा रहा है) और collisonal उत्तेजना और उत्सर्जन के लिए बाद में डे-उत्तेजना सीसा, सिस्टम से ऊर्जा को हटाने। यहाँ गैस की महत्वपूर्ण है, क्योंकि विभिन्न तत्वों में विभिन्न ऊर्जा स्तर होते हैं।१० $10^4\,\mathrm{K}$$10^6\,\mathrm{K}$$^\dagger$

शांत गैस

कम तापमान पर, गैस लगभग पूरी तरह से तटस्थ होती है, इसलिए पुनर्संयोजन किसी भी प्रभाव को खत्म करने के लिए संघर्ष करते हैं। हाइड्रोजन परमाणु के बीच टकराव परमाणुओं को उत्तेजित करने के लिए बहुत कमजोर हो जाते हैं, लेकिन यदि अणु या धातु मौजूद हैं, तो यह क्रमशः ठीक / हाइपरफाइन लाइनों, और घूर्णी / कंपन लाइनों के माध्यम से संभव है।

कुल शीतलन इन सभी प्रक्रियाओं का योग है, लेकिन किसी दिए गए तापमान पर एक या कुछ प्रक्रियाओं का प्रभुत्व होगा। सदरलैंड और डोपिता (1993) से नीचे के आंकड़े तापमान के एक समारोह के रूप में मुख्य शीतलन प्रक्रियाओं (बाएं) और मुख्य शीतलन तत्वों ( दाएं ) को दर्शाते हैं :

मोटी लाइन कुल शीतलन दर को दर्शाती है। नीचे दिए गए आंकड़े, एक ही पेपर से, विभिन्न धातुओं के लिए कुल शीतलन दर को दर्शाते हैं। धातुरूपता एक लघुगणकीय पैमाना है, इसलिए [Fe / H] = 0 का अर्थ है सौर धात्विकता, और [Fe / H] = –1 का अर्थ है 0.1 गुना सौर धात्विकता, जबकि "नील" शून्य धात्विकता है।

चूंकि ये प्रक्रियाएं समान रूप से पूर्ण तापमान सीमा को कवर नहीं करती हैं, इसलिए गैस तापमान में कुछ "पठारों" तक पहुंच जाएगी, अर्थात यह कुछ विशिष्ट तापमानों पर कब्जा कर लेगी। जब गैस ठंडी हो जाती है, तो यह सिकुड़ जाती है। आदर्श गैस कानून से, हम जानते हैं कि दबाव घनत्व और तापमान के उत्पाद के आनुपातिक है । यदि ISM में दबाव संतुलन है (जो कि हमेशा नहीं होता है, लेकिन कई मामलों में एक अच्छी धारणा है), तो स्थिर है, और इस प्रकार यदि गर्म आयनित गैस का पार्सल से ठंडा हो जाता है को , यह एक पहलू से इसका घनत्व बढ़ जाती है अनुबंध करना होगाएन टी एन टी 10 $P$$n$$T$$nT$१० $10^7\,\mathrm{K}$१० $10^4\,\mathrm{K}$$10^3$। इस प्रकार, कूलर बादल छोटे और सघन होते हैं, और इस तरह आईएसएम अपने विभिन्न चरणों में विभाजित होता है।

इसलिए, निष्कर्ष निकालने के लिए, इंटरस्टेलर स्पेस उतना ठंडा नहीं है जितना आप सोच सकते हैं। हालांकि, बेहद पतला होने के कारण, गर्मी को स्थानांतरित करना मुश्किल है , इसलिए यदि आप अपने अंतरिक्ष यान को छोड़ देते हैं, तो आप ऊर्जा को तेजी से विकीर्ण कर देंगे, क्योंकि आप इसे गैस से अवशोषित कर सकते हैं।

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$^\dagger$ _{खगोल विज्ञान में, "धातु" शब्द, उन सभी तत्वों को संदर्भित करता है जो हाइड्रोजन या हीलियम नहीं हैं, और "धातु" गैस का अंश है जिसमें धातुएं शामिल हैं।}

Comments

विस्तार के लिए +1 लेकिन क्या सटीक शारीरिक प्रक्रियाओं के कारण ISM को चरणों में या कम से कम लिंक में विभाजित किया जा सकता है।

— मोबल

@ TheCodeMan: मैंने जवाब अपडेट किया, शीतलन प्रक्रियाओं पर विस्तार से, और कुछ संदर्भ दिए।

— पेला

आपके सभी प्रयास के लिए धन्यवाद! मैं आपको +5, ईमानदारी से देता!

— मोबाल

+1। बस इस उत्तर के पाठकों के लिए यह स्पष्ट करने के लिए, जब पेला "धातुओं" को संदर्भित करता है तो वह सिर्फ लोहे जैसे धातुओं के बारे में बात नहीं कर रहा है। एक खगोल विज्ञानी के लिए, कार्बन, नाइट्रोजन, ऑक्सीजन और नियॉन भी धातु हैं। एकमात्र तत्व जो एक खगोलशास्त्री के लिए धातु नहीं हैं, वे हैं हाइड्रोजन और हीलियम (और शायद लिथियम और बेरिलियम)। विरोधाभासी रूप से, लिथियम और बेरिलियम एक रसायनज्ञ के लिए धातु हैं, जबकि कार्बन, नाइट्रोजन, ऑक्सीजन और नियॉन नहीं हैं। किसी भी धातु की उपस्थिति से इंटरस्टेलर गैसों और तारों के व्यवहार में काफी बदलाव आता है। जिन धातुओं पर मौजूद हैं उनका विवरण उतना महत्वपूर्ण नहीं है।

— डेविड हैमेन

बहुत बढ़िया जवाब। जोड़ने के लिए एक और बात यह है कि कई अलग-अलग प्रकार के तापमान हैं, और यहां उत्तर केवल गतिज तापमान का उल्लेख है। आईएसएम में, दो अन्य महत्वपूर्ण तापमान हैं उत्तेजना तापमान और आयनीकरण तापमान। आमतौर पर ये गतिज तापमान के समान होते हैं, लेकिन आईएसएम में ये काफी भिन्न हो सकते हैं। यहाँ तापमान की विविधता का एक अच्छा अवलोकन है: ay201b.wordpress.com/2013/03/07/…

— J. O'Brien Antognini

Answer 2

प्रश्न का शीर्षक इंटरस्टेलर स्पेस के बारे में पूछता है, लेकिन शरीर इंटरस्टेलर माध्यम के बारे में पूछता है। ये दो बहुत अलग सवाल हैं। इंटरस्टेलर माध्यम का तापमान व्यापक रूप से कुछ केल्विन से दस मिलियन से अधिक केल्विन तक भिन्न होता है। सभी खातों द्वारा, इंटरस्टेलर माध्यम का विशाल बहुमत कम से कम "गर्म" है, जहां "गर्म" का अर्थ है कई हजार केल्विन।

मेरा मतलब है कि आप अंतरिक्ष में थर्मामीटर नहीं रख सकते हैं, है ना?

यदि आपके पास स्टार ट्रेक या स्टार वार्स तकनीक है। एक तारे से निकाली गई एक पुरानी शैली के थर्मामीटर को एक तारे से दूर मानते हुए, उस थर्मामीटर का तापमान तेज़ी से घटेगा, अंततः लगभग 2.7 केल्विन पर स्थिर होगा।

मैक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट जैसे कि एक पुरानी शैली के थर्मामीटर या एक स्पेससूट में मानव के संबंध में, इंटरस्टेलर स्पेस के तापमान और इंटरस्टेलर माध्यम के तापमान के बीच एक बड़ा अंतर है। भले ही स्थानीय इंटरस्टेलर माध्यम लाखों केल्विन में हो, लेकिन मैक्रोस्कोपिक ऑब्जेक्ट अभी भी लगभग 2.7 केल्विन को ठंडा करेगा क्योंकि उस गर्म इंटरस्टेलर माध्यम का कोई पदार्थ नहीं है। इंटरस्टेलर माध्यम का घनत्व इतना कम है, कि विकिरण नुकसान माध्यम से चालन पर पूरी तरह से हावी है। इंटरस्टेलर माध्यम बहुत गर्म ठीक हो सकता है क्योंकि यह एक गैस है (गैसें थोड़ी अजीब हैं), और क्योंकि यह अत्यंत कठिन है (अत्यंत कठिन गैसें अजीब से परे हैं)।

Comments

+1 अच्छा बिंदु 2.7 K की कम सीमा के साथ। निश्चित रूप से आप सही हैं कि कोई भी साधारण थर्मामीटर उतनी तेजी से ऊर्जा को अवशोषित नहीं कर पाएगा, जितना वह इसे खो देगा। मैंने अपना जवाब सही किया।

— पेला

Answer 3

बस एक और जटिलता। इंटरस्टेलर स्पेस में "रेफ्रिजरेटर" स्थापित करना संभव है। ये ऐसी स्थितियां हैं जो प्रभावी रूप से मस्सरों के विपरीत हैं - इसमें शामिल सामग्री का ऊर्जा स्तर (इस मामले में, फॉर्मलाडेहाइड) व्यवहार को समाप्त कर सकता है जैसे कि वे परिवेश की तुलना में ठंडा हो। नतीजतन, आप लौकिक माइक्रोवेव पृष्ठभूमि के खिलाफ अवशोषण में फॉर्मलाडेहाइड देख सकते हैं।

इस तथ्य का सिर्फ एक और उदाहरण है कि, इंटरस्टेलर स्पेस की कम घनत्व पर, आपको इस बात पर गौर करना होगा कि व्यक्तिगत परमाणु और अणु कैसे व्यवहार कर रहे हैं, क्योंकि वे केवल परिवेश से टकराव द्वारा खराब रूप से जुड़े हुए हैं। और यह कुछ साफ प्रभाव के लिए बनाता है।

Answer 4

यह एक ऐतिहासिक रूप से महत्वपूर्ण मुद्दा है और मुझे लगता है कि यह इस इतिहास के बारे में ऊपर दी गई उत्कृष्ट प्रतिक्रियाओं के बारे में थोड़ा जोड़ने के लायक है। कहानी " अंतरिक्ष के तापमान " के भौतिक अर्थ को दर्शाती है । 1940 में, McKellar (PASP, vol 52. p187) ने कुछ विचित्र इंटरस्टेलर लाइनों की पहचान की, जिन्हें एडम्स ने 1939 में एक तारे के स्पेक्ट्रम में CN और CH अणुओं के घूमने के कारण लाइनों के रूप में देखा था। ये रेखाएँ उस समय अद्वितीय थीं।

उनके सापेक्ष तीव्रता को केवल तभी समझा जा सकता है यदि रोटेशन (यानी स्पिन) 2.7K के तापमान पर फोटॉन के साथ अणुओं के टकराव के कारण था। एक साल बाद उन्होंने इसे संशोधित कर 2.3K कर दिया। स्पष्ट कारणों के लिए उन्होंने इसे " स्पिन तापमान " के रूप में संदर्भित किया : स्पिनिंग अणुओं से प्राप्त तापमान। किसी अन्य स्रोत ने खुद को सुझाव नहीं दिया, और यह 1966 तक नहीं था, कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन की खोज के बाद, कि मैककेलर की व्याख्या को 2.725K पर कॉस्मिक बैकग्राउंड रेडिएशन के साथ जोड़ा गया था। मैककेलर ने " अंतरिक्ष में थर्मामीटर " पाया था ।

विडंबना यह है कि 1950 में होयल ने गेमो के 1949 के एक बड़े धमाके के दृश्य की यह कहकर आलोचना की थी कि गामो सिद्धांत मैककेलर के विश्लेषण की तुलना में अंतरिक्ष को अधिक तापमान प्रदान करेगा।

Answer 5

न्यूट्रिनों की लौकिक पृष्ठभूमि 2.7K पर ब्रह्मांडीय पृष्ठभूमि फोटॉनों के नीचे ~ 1.95K के तापमान पर होती है। यहां कोई असंगतता नहीं है क्योंकि उन न्यूट्रिनो एक बार फोटॉन के साथ संतुलन में थे, इससे पहले कि इलेक्ट्रॉनों का विनाश हो जाने से फोटॉन गर्म हो जाएं (बड़े धमाके के बाद ~ 1 सेकंड)। इलेक्ट्रॉनों के नुकसान ने न्यूट्रिनों को उस बिंदु पर फोटॉनों से कम करने का कारण बना दिया और अब संतुलन में नहीं हैं।

तो "अंतरिक्ष का तापमान" इस बात पर निर्भर करता है कि आप फोटॉन या न्यूट्रिनो तापमान का हवाला देते हैं, और आप जो मापते हैं वह किस तरह के थर्मामीटर का उपयोग करता है। अंतरिक्ष समय की वक्रता को तापमान के साथ भी जोड़ा जा सकता है, लेकिन यह एक और कहानी है।