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Pergunte a Ethan: Quão frio é nas profundezas do espaço?

A Nebulosa da Águia, famosa por sua formação estelar em andamento, contém um grande número de glóbulos de Bok, ou nebulosas escuras, que ainda não evaporaram e estão trabalhando para entrar em colapso e formar novas estrelas antes que desapareçam completamente. Embora o ambiente externo desses glóbulos possa ser extremamente quente, o interior pode ser protegido da radiação e atingir temperaturas muito baixas. O espaço profundo não tem uma temperatura uniforme, mas varia de local para local. (ESA / HUBBLE & NASA)

As galáxias podem ter regiões mais quentes e mais frias do que a radiação de fundo do Universo.

Quando falamos sobre as profundezas do espaço, temos essa imagem em nossas cabeças de vazio. O espaço é estéril, escasso e em grande parte desprovido de qualquer coisa, exceto pelas ilhas de estrutura que permeiam o Universo. As distâncias entre planetas são vastas, medidas em milhões de quilômetros, e essas distâncias são relativamente pequenas em comparação com a distância média entre as estrelas: medida em anos-luz. As estrelas estão agrupadas em galáxias, onde são unidas por gás, poeira e plasma, embora as próprias galáxias individuais estejam separadas por comprimentos ainda maiores.

Apesar das distâncias cósmicas, no entanto, é impossível estar totalmente protegido de outras fontes de energia no Universo. O que isso significa para as temperaturas do espaço profundo? Que o assunto da pergunta desta semana, que vem de Apoiador do Patreon William Blair, perguntando:

Eu descobri esta pequena jóia em [escritos de Jerry Pournelle]: A temperatura efetiva do espaço sideral é de cerca de -200 graus C (73K). Eu não acho que seja assim, mas imaginei que você saberia com certeza. Achei que seriam 3 ou 4 K... Poderia me esclarecer?

Se você pesquisar on-line qual é a temperatura do espaço, encontrará uma variedade de respostas, variando de apenas alguns graus acima do zero absoluto a mais de um milhão de K, dependendo de onde e como você olha. Quando se trata da questão da temperatura nas profundezas do espaço, as três regras cardeais do mercado imobiliário definitivamente se aplicam: localização, localização, localização.

Um gráfico logarítmico de distâncias, mostrando a Voyager, nosso Sistema Solar e nossa estrela mais próxima. À medida que você se aproxima do espaço interestelar e da Nuvem de Oort, as temperaturas medidas que você encontra da matéria e da energia presentes têm muito pouco impacto sobre se você seria aquecido ou resfriado se se banhasse em sua presença. (NASA/JPL-CALTECH)

A primeira coisa que temos que considerar é a diferença entre temperatura e calor. Se você pegar uma certa quantidade de energia térmica e adicioná-la a um sistema de partículas no zero absoluto, essas partículas acelerarão: elas ganharão energia cinética. No entanto, a mesma quantidade de calor alterará a temperatura em quantidades muito diferentes, dependendo de quantas partículas existem em seu sistema. Para um exemplo extremo disso, não precisamos olhar além da atmosfera da Terra.

Como qualquer um que já escalou uma montanha pode atestar, quanto mais alto você sobe, mais frio fica o ar ao seu redor. Isso não é por causa de uma diferença em sua distância do Sol emissor de luz ou mesmo do solo que irradia calor da Terra, mas sim por causa de uma diferença de pressão: com pressão mais baixa, há menos calor e menos colisões moleculares, e assim a temperatura cai.

Mas à medida que você vai para altitudes extremas – na termosfera da Terra – a radiação de maior energia do Sol pode dividir as moléculas em átomos individuais e, em seguida, expulsar os elétrons desses átomos, ionizando-os. Embora a densidade das partículas seja pequena, a energia por partícula é muito alta, e essas partículas ionizadas têm uma tremenda dificuldade em irradiar seu calor. Como resultado, embora carreguem apenas uma quantidade minúscula de calor, sua temperatura é tremenda.

A atmosfera de muitas camadas da Terra contribui tremendamente para o desenvolvimento e sustentabilidade da vida na Terra. Na termosfera da Terra, as temperaturas aumentam drasticamente, chegando a centenas ou mesmo milhares de graus. No entanto, a quantidade total de calor na atmosfera nessas altas altitudes é insignificante; se você mesmo subisse lá, congelaria, não ferveria. (NASA / SMITHSONIAN AIR & SPACE MUSEUM)

Em vez de confiar na temperatura das partículas em qualquer ambiente em particular - uma vez que a leitura da temperatura dependerá da densidade e do tipo de partículas presentes - é uma pergunta mais útil se eu (ou qualquer objeto feito de matéria normal ) estivessem neste ambiente, que temperatura eu atingiria quando o equilíbrio fosse obtido? Na termosfera, por exemplo, embora a temperatura varie entre 800-1700°F (425-925°C), a verdade é que você realmente congelar até a morte extremamente rápido naquele ambiente.

Quando vamos para o espaço, portanto, não é a temperatura ambiente do ambiente que nos rodeia que é importante, mas sim as fontes de energia que estão presentes e o quão bom trabalho elas fazem ao aquecer os objetos com os quais entram em contato. Se fôssemos direto até chegarmos ao espaço sideral, por exemplo, não seria o calor irradiado da superfície da Terra nem as partículas da atmosfera terrestre que dominariam nossa temperatura, mas sim a radiação vinda do Sol. Embora existam outras fontes de energia, incluindo o vento solar, é todo o espectro de luz do Sol, ou seja, a radiação eletromagnética, que determina nossa temperatura de equilíbrio.

De seu ponto de vista único na sombra de Saturno, a atmosfera, os anéis principais e até mesmo o anel E externo são todos visíveis, juntamente com as lacunas visíveis dos anéis do sistema saturniano em eclipse. Se um objeto com a mesma refletividade do planeta Terra, mas sem uma atmosfera de retenção de calor, fosse colocado à distância de Saturno, ele só seria aquecido a cerca de 80 K, apenas quente o suficiente para ferver o nitrogênio líquido. (NASA / JPL-CALTECH / INSTITUTO DE CIÊNCIA DO ESPAÇO)

Se você estivesse localizado no espaço - como todo planeta, lua, asteróide e assim por diante - sua temperatura seria determinada por qualquer valor que você possuísse, onde a quantidade total de radiação recebida fosse igual à quantidade de radiação emitida. Um planeta com:

• uma atmosfera espessa e aprisionadora de calor,
• que está mais perto de uma fonte de radiação,
• que é de cor mais escura,
• ou que gera seu próprio calor interno,

geralmente terá uma temperatura de equilíbrio mais alta do que um planeta com o conjunto oposto de condições. Quanto mais radiação você absorver e quanto mais tempo você reter essa energia antes de re-irradiá-la, mais quente você ficará.

No entanto, se você pegar o mesmo objeto e colocá-lo em locais diferentes no espaço, a única coisa que determinará sua temperatura é a distância de todas as diferentes fontes de calor em sua vizinhança. Não importa onde você esteja, é a distância do que está ao seu redor – estrelas, planetas, nuvens de gás, etc. – que determina sua temperatura. Quanto maior a quantidade de radiação que incide sobre você, mais quente você fica.

A relação de distância de brilho e como o fluxo de uma fonte de luz cai como um ao quadrado da distância. Um satélite que esteja duas vezes mais distante da Terra do que outro aparecerá apenas um quarto mais brilhante, mas o tempo de viagem da luz será dobrado e a quantidade de dados transmitidos também será reduzida a um quarto. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Para qualquer fonte que emite radiação, há uma relação simples que ajuda a determinar o quão brilhante essa fonte de radiação aparece para você: o brilho diminui como um ao quadrado da distância. Que significa:

• o número de fótons impactando você,
• o fluxo incidente em você,
• e a quantidade total de energia absorvida por você,

todos diminuem quanto mais longe você estiver de um objeto emissor de radiação. Dobre sua distância e você receberá apenas um quarto da radiação. Triplique e você receberá apenas um nono. Aumente-o por um fator de dez e você obterá apenas um centésimo da radiação original. Ou você pode viajar mil vezes mais longe, e um mísero milionésimo da radiação o atingirá.

Aqui na distância da Terra do Sol – 93 milhões de milhas ou 150 milhões de quilômetros – podemos calcular qual seria a temperatura para um objeto com o mesmo espectro de refletividade/absorção da Terra, mas sem atmosfera para reter calor. A temperatura de tal objeto seria -6 °F (-21 °C), mas como não gostamos de lidar com temperaturas negativas, falamos mais frequentemente em termos de kelvin, onde essa temperatura seria ~252 K.

Estrelas jovens e ultra-quentes às vezes podem formar jatos, como este objeto Herbig-Haro na Nebulosa de Órion, a apenas 1.500 anos-luz de distância de nossa posição na galáxia. A radiação e os ventos de estrelas jovens e massivas podem dar enormes impulsos à matéria circundante, onde também encontramos moléculas orgânicas. Essas regiões quentes do espaço emitem quantidades muito maiores de energia do que o nosso Sol, aquecendo objetos em sua vizinhança a temperaturas maiores do que o Sol pode. (ESA / HUBBLE & NASA, D. PADGETT (GSFC), T. MEGEATH (UNIVERSIDADE DE TOLEDO) E B. REIPURTH (UNIVERSIDADE DO HAVAÍ))

Na maioria dos locais do Sistema Solar, o Sol é a principal fonte de calor e radiação, o que significa que é o principal árbitro da temperatura dentro do nosso Sistema Solar. Se colocássemos esse mesmo objeto que está ~ 252 K à distância da Terra do Sol na localização dos outros planetas, descobriríamos que é a seguinte temperatura em:

• Mercúrio, 404 K,
• Vênus, 297K,
• Marte, 204 K,
• Júpiter, 111 K,
• Saturno, 82K,
• Urano, 58K,
• e Netuno, 46 ​​K.

Há um limite, no entanto, para o quão frio você vai ficar continuando a viajar para longe do Sol. No momento em que você está a mais de algumas centenas de vezes a distância Terra-Sol, ou cerca de ~ 1% de um ano-luz de distância do Sol, a radiação que o afeta não é mais proveniente de apenas uma fonte pontual.

Em vez disso, a radiação das outras estrelas da galáxia, bem como a radiação (de menor energia) dos gases e plasmas no espaço, também começarão a aquecê-lo. À medida que você se afasta cada vez mais do Sol, você começará a perceber que sua temperatura simplesmente se recusa a cair abaixo de cerca de 10 a 20 K.

Nuvens moleculares escuras e empoeiradas, como esta encontrada em nossa Via Láctea, entrarão em colapso com o tempo e darão origem a novas estrelas, com as regiões mais densas formando as estrelas mais massivas. No entanto, embora haja muitas estrelas por trás dela, a luz das estrelas não pode romper a poeira; ele é absorvido. Essas regiões do espaço, embora escuras na luz visível, permanecem a uma temperatura significativa bem acima do fundo cósmico de ~2,7 K. (ESO)

Entre as estrelas da nossa galáxia, a matéria pode ser encontrada em todos os tipos de fases , incluindo sólidos, gases e plasmas. Três exemplos importantes desta matéria interestelar são:

• nuvens moleculares de gás, que só entrarão em colapso quando a temperatura dentro dessas nuvens cair abaixo de um valor crítico,
• gás quente, principalmente hidrogênio, que circula devido ao aquecimento da luz das estrelas,
• e plasmas ionizados, que ocorrem principalmente perto de estrelas e regiões de formação de estrelas, predominantemente encontrados perto das estrelas mais jovens, mais quentes e mais azuis.

Enquanto os plasmas podem atingir normalmente e facilmente temperaturas de ~ 1 milhão K, e o gás quente normalmente atinge temperaturas de alguns milhares K, as nuvens moleculares muito mais densas são geralmente frias, a ~ 30 K ou menos.

Não se deixe enganar por esses grandes valores de temperatura, no entanto. A maior parte dessa matéria é incrivelmente esparsa e carrega muito pouco calor; se você colocar um objeto sólido feito de matéria normal nos espaços onde essa matéria existe, o objeto esfriaria tremendamente, irradiando muito mais calor do que absorve. Em média, a temperatura do espaço interestelar – onde você ainda está dentro de uma galáxia – fica entre 10 K e algumas dezenas de K, dependendo de quantidades como a densidade do gás e o número de estrelas em sua vizinhança.

O Observatório Espacial Herschel capturou esta imagem da nebulosa Eagle, com seu gás e poeira intensamente frios. Os Pilares da Criação, que ficaram famosos pelo Telescópio Espacial Hubble da NASA em 1995, são vistos dentro do círculo. As diferentes cores representam o gás extremamente frio: entre 10 e 40 K. Esses ambientes são bastante típicos de temperaturas galácticas e podem ser encontrados em toda a Via Láctea. (ESA/HERSCHEL/PACS/SPIRE/HILL, MOTTE, HOBYS KEY PROGRAM CONSORTIUM)

Você provavelmente já ouviu, muito corretamente, que a temperatura do Universo está em torno de 2,7 K, no entanto, um valor muito mais frio do que você encontrará na maioria dos lugares da galáxia. Isso ocorre porque você pode deixar a maioria dessas fontes de calor para trás indo para o local certo no Universo. Longe de todas as estrelas, longe das densas ou mesmo esparsas nuvens de gás que existem, entre os tênues plasmas intergalácticos, nas regiões mais subdensas de todas, nenhuma dessas fontes de calor ou radiação é significativa.

A única coisa que resta a enfrentar é a única fonte inevitável de radiação no Universo: a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ela própria um remanescente do próprio Big Bang. Com ~411 fótons por centímetro cúbico, um espectro de corpo negro e uma temperatura média de 2,7255 K, um objeto que foi deixado nas profundezas do espaço intergaláctico ainda aqueceria até essa temperatura. Nos limites de densidade mais baixos obtidos no Universo hoje, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, isso é o mais frio possível.

A luz real do Sol (curva amarela, esquerda) versus um corpo negro perfeito (em cinza), mostrando que o Sol é mais uma série de corpos negros devido à espessura de sua fotosfera; à direita está o corpo negro perfeito da CMB conforme medido pelo satélite COBE. Observe que as barras de erro à direita são surpreendentes 400 sigma. A concordância entre teoria e observação aqui é histórica, e o pico do espectro observado determina a temperatura restante da Microondas Cósmica de Fundo: 2,73 K. (WIKIMEDIA COMMONS USER SCH (L); COBE/FIRAS, NASA / JPL-CALTECH (R ))

Só que há um mecanismo do Universo, naturalmente, que pode refinar seu caminho para temperaturas ainda mais baixas. Sempre que você tem uma nuvem de gás ou um plasma, você tem a opção, independentemente de sua temperatura, de alterar rapidamente o volume que ela ocupa. Se você contrair o volume rapidamente, sua matéria se aquece; se você expandir o volume rapidamente, sua matéria esfria. De todos os objetos ricos em gás e plasma que se expandem no Universo, os que o fazem mais rapidamente são estrelas gigantes vermelhas ejetando suas camadas externas: as que formam nebulosas pré-planetárias.

De todos eles, o mais frio observado é a nebulosa do Bumerangue . Embora haja uma estrela gigante vermelha energética em seu centro, e haja luz visível e infravermelha sendo emitida por ela em dois lobos gigantes, o material em expansão ejetado da estrela esfriou tão rapidamente que está realmente abaixo da temperatura do fundo cósmico de microondas. Simultaneamente, devido à densidade e opacidade do ambiente, essa radiação não pode entrar, permitindo que esta nebulosa permaneça em apenas ~ 1 K, tornando-a o local mais frio de ocorrência natural no Universo conhecido. Muito provavelmente, muitas nebulosas pré-planetárias também são mais frias do que o fundo cósmico de micro-ondas, o que significa que dentro das galáxias, ocasionalmente, existem lugares mais frios do que as profundezas do espaço intergaláctico.

Uma imagem codificada por cores da Nebulosa do Boomerang, obtida pelo Telescópio Espacial Hubble. O gás expelido desta estrela se expandiu incrivelmente rápido, fazendo com que ela esfriasse adiabaticamente. Existem lugares dentro dele que são mais frios do que o brilho remanescente do próprio Big Bang, atingindo um mínimo de cerca de ~ 1 K, ou apenas um terço da temperatura do fundo cósmico de microondas. (NASA/HUBBLE/STSCI)

Se tivéssemos acesso fácil às profundezas do espaço intergaláctico, construir um observatório como o Telescópio Espacial James Webb seria uma tarefa muito mais fácil. A proteção solar de cinco camadas, que resfria passivamente o telescópio até aproximadamente ~70 K, seria totalmente desnecessária. O refrigerante ativo, que é bombeado e flui pelo interior do telescópio, resfriando a ótica e o instrumento de infravermelho médio até ~7 K, seria redundante. Tudo o que teríamos que fazer era colocá-lo no espaço intergaláctico, e ele esfriaria passivamente, por conta própria, até ~ 2,7 K.

Sempre que você pergunta qual é a temperatura do espaço, você não pode saber a resposta sem saber onde está e quais fontes de energia estão afetando você. Não se deixe enganar por ambientes extremamente quentes, mas esparsos; as partículas podem estar em alta temperatura, mas elas não o aquecerão tanto quanto você se resfria. Perto de uma estrela, a radiação da estrela domina. Dentro de uma galáxia, a soma da luz das estrelas mais o calor irradiado do gás determina sua temperatura. Longe de todas as outras fontes, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas domina. E dentro de uma nebulosa em rápida expansão, você pode alcançar as temperaturas mais frias de todas: o mais próximo que o Universo chega do zero absoluto.

Não existe uma solução universal que se aplique a todos, mas da próxima vez que você se perguntar sobre o quão frio você sentiria nas profundezas do espaço, pelo menos você saberá onde procurar a resposta!

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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