Звична кімнатна температура здається нам природною, але у Всесвіті це рідкість. Далеко від зір усе охолоджується майже до −270 °C, а деінде речовина навпаки розпечена до мільйонів градусів. Розповідаємо, якою може бути температура в космосі й від чого вона залежить, та пояснюємо, що робить Землю унікальною.
Чому плюс двадцять у космосі рідкість
Плюс двадцять за вікном здаються нам звичайною погодою, а морозні мінус двадцять — суворою зимою. На шкалі температур, які існують у Всесвіті, обидва значення стоять майже поруч. Речовина, яку не гріє жодна зоря, з часом остигає приблизно до −270 °C.
Верхній край цієї шкали сягає мільйонів градусів, і так гаряче буває, наприклад, у зовнішніх шарах Сонця. Посередині лежить вузька смужка, де вода не замерзає і не переходить у стан пари, і лише там можливе життя у знайомому нам вигляді. Щоб зрозуміти, чому звичне для людини тепло виявляється винятком, спершу варто розібратися, що взагалі означає слово «температура».
Що таке температура
Будь-яка речовина складається з атомів і молекул, які ніколи не перебувають у спокої. У газі вони рухаються окремо одна від одної й зіштовхуються, у твердому тілі їх тримає кристалічна решітка, тому вони лише тремтять на місці. Температура показує, наскільки швидкий цей рух. Наприклад, у гарячому чаї молекули рухаються швидше, ніж у холодній воді, й, коли ми торкаємося чашки, вони передають частину своєї енергії шкірі. Так ми відчуваємо тепло.
У космосі передавання тепла дотиком майже не працює. Між зорями та планетами речовини надзвичайно мало, тож частинки рідко вдаряються об тіла, які там опиняються, тому майже не віддають їм частину енергії. Навіть якщо розріджений газ між ними дуже гарячий, його густини не вистачає, щоб помітно щось нагріти. Тому температура предмета залежить не від середовища довкола, а від того, скільки він отримує від Сонця чи іншого світила і скільки втрачає сам.
Без повітря і без дотику тепло переходить лише одним способом — випромінюванням. Так Сонце гріє Землю крізь 150 мільйонів кілометрів порожнечі. Будь-яке інше тіло теж постійно втрачає енергію, випускаючи невидимі для ока промені. Термометр на орбіті показав би не температуру космосу, а різницю між тим, скільки тепла він отримав від світла, і тим, скільки встиг віддати назад у простір у той самий спосіб.
Холодний Всесвіт
За світлом можна визначити температуру тіла, яке його випромінює. Залізо, наприклад, спершу червоніє, потім жовтіє й біліє, тож за кольором легко визначити, як сильно воно нагрівається. Холодніші тіла випускають невидимі для ока промені, але й за довжиною їхніх хвиль можна з’ясувати, наскільки вони теплі.
Одразу після Великого вибуху Всесвіт заповнювала надзвичайно густа і гаряча речовина. Від такого нагріву вона світилася. За таких умов електрони не трималися біля ядер, а пересувалися вільно. Світло самої речовини постійно наштовхувалося на них і змінювало напрямок, тому далеко не поширювалося. Десь через 380 тисяч років температура впала приблизно до +2700 °C і утворилися стійкі атоми водню. Шлях для випромінювання відкрився, і воно вперше поширилося без перешкод. Сьогодні його називають реліктовим випромінюванням і воно досі заповнює весь Всесвіт.
За мільярди років Всесвіт розширився і разом із простором розтягнулося це випромінювання. Нині довжина його хвиль сягає близько міліметра. Промені того самого типу, лише приблизно у 120 разів довші, розігрівають їжу в кухонній мікрохвильовці. Тому це випромінювання називають також мікрохвильовим фоновим. Його температура становить приблизно −270 °C, лише на 2,7 градуса вище за найнижчу межу, яку допускає фізика.
Цей фон і задає норму. Майже весь об’єм Всесвіту — це порожнеча без зір, планет і газу, й саме там температура тримається біля цієї позначки. Сама речовина розподілена інакше, бо зібрана в галактиках і в розріджених хмарах між ними, частина яких має температуру в мільйони градусів. Будь-яке тіло далеко від зір віддає тепло, доки майже не зрівняється з температурою навколишнього середовища. Стати ще холоднішим у природі вдається лише в рідкісних випадках, бо реліктове випромінювання постійно підігріває все, що в ньому перебуває. Всесвіт і далі розширюється, тож реліктове випромінювання поступово холоне.
Земля між спекою і холодом
На такому тлі Земля здається теплим острівцем. Її прогріває Сонце, а атмосфера затримує частину енергії, яку поверхня випромінює назад у космос. Без цього парникового ефекту середня температура планети була б близько −18 °C замість нинішніх +15 °C.
Де повітря немає, різниця між світлом і тінню стає величезною, бо нічому переносити тепло з освітленого боку і втримувати його в темному. Без систем терморегулювання сонячний бік Міжнародної космічної станції нагрівся б до +121 °C, а протилежний охолонув би до −157 °C. На екваторі Місяця вдень буває до +120 °C, а протягом двотижневої ночі температура падає до −130 °C. Температура поверхні Меркурія коливається між +430 °C і −180 °C.
Близькість до зорі вирішує не все. Венера майже вдвічі далі від Сонця, ніж Меркурій, а її хмари ще й відбивають близько трьох чвертей світла. Проте поверхня планети розпечена до +464 °C, бо густа атмосфера з вуглекислого газу майже не випускає тепло назовні, акумулюючи його.
Ще різкіше межа між спекою і холодом проходить там, де діє приливне захоплення. Тяжіння близького світила за мільйони років гальмує обертання, доки на кожен виток орбіти не припадатиме рівно один поворот навколо осі. Відтоді один бік планети завжди обернений до світила та освітлений, а на протилежному триває вічна ніч. Так влаштований скелястий світ LHS 3844 b біля маленької тьмяної зорі. На денному боці там приблизно +725 °C, а нічний настільки холодний, що жодного помітного тепла від нього під час спостережень не вловили, бо густої атмосфери, яка переносила б його, немає.
Дві межі температурної шкали
Навіть нічний бік такої планети не може остигати нескінченно. Для низьких температур існує нижня межа, до якої можна лише наближатися. Її називають абсолютним нулем, і відповідає вона −273,15 °C. Що ближче до неї, то важче речовині віддавати навіть частку градуса. Третій закон термодинаміки стверджує, що жодним способом не можна досягти абсолютного нуля за скінченну кількість кроків охолодження.
Найнижчу температуру серед відомих природних об’єктів має хмара газу, яку скинула зоря на пізньому етапі свого існування. Астрономи називають її туманністю Бумеранг, і розташована вона приблизно за 5000 світлових років від нас. Викинута речовина стрімко розширюється і через це остигає приблизно до −272 °C, тобто нижче за реліктовий фон. Схоже відбувається з балончиком аерозолю, який помітно холоне, коли з нього виприскують вміст. Рекордом лишаються 38 трильйонних часток градуса над абсолютним нулем, тобто −273,149999999962 °C, і саме таку температуру отримали з атомами рубідію в баштовому комплексі для дослідів у невагомості Бременського університету.
На верхній межі температурної шкали картина зовсім інша. Сонце розігрівають термоядерні реакції в надрах, де ядра водню зливаються в гелій і вивільняють енергію. У старших зорях у хід іде вже сам гелій, а в наймасивніших ланцюг доходить до заліза, на якому синтез припиняється. Поверхня Сонця має близько 5500 °C, а от його корона — зовнішній шар атмосфери — розпечена на понад мільйон градусів, і причину такого нагріву досі з’ясовують. Проте частинок там так мало, що теплозахисний екран апарата NASA Parker Solar Probe, який пролітав крізь неї, нагрівався лише приблизно до +1400 °C. Для порівняння, в розігрітій духовці руку можна протримати довше, ніж у киплячій воді, хоча повітря в ній гарячіше, бо молекул, які вдаряються об шкіру, значно менше.
Найгарячіші відомі зорі належать до рідкісного типу Вольфа — Райє. Це масивні світила, які втратили зовнішні шари. Поверхня найгарячішої з них нагріта приблизно до 210 тисяч градусів, у 38 разів сильніше, ніж у Сонця. Ще вище на шкалі опиняються нейтронні зорі, надщільні залишки масивних зір після вибуху діаметром близько 20 км. Щойно утворившись, така зоря має температуру в сотні мільярдів градусів, а в місці зіткнення двох подібних об’єктів вона, за розрахунками, сягає трильйонів. Це щонайменше в 60 тис. разів більше, ніж у центрі Сонця, де близько 16 млн.
Холод як умова для спостережень
Інколи холод стає робочою умовою для космічної техніки. Світло найдальших галактик за мільярди років шляху розтягується майже так само, як реліктове випромінювання, і доходить до нас у вигляді невидимих оку інфрачервоних променів. Такі промені випускає і будь-яке тепле тіло, від людини до електроніки. Якби телескоп, призначений для таких спостережень, мав кімнатну температуру, його власне інфрачервоне світіння перекрило б слабкий сигнал від галактик.
Прилади космічного телескопа James Webb розташовані в тіні сонцезахисного екрана розміром із тенісний корт, і самі собою остигають там приблизно до −233 °C. Найчутливішому з них, інструменту для середнього інфрачервоного діапазону (MIRI), цього мало. Його додатково охолоджують окремою установкою нижче −266 °C, менш ніж за сім градусів від абсолютного нуля.
Кімнатні плюс двадцять лишаються зручними для нас, але на шкалі від трильйонних часток градуса над абсолютним нулем до трильйонів градусів у найгарячіших об’єктах ця смужка майже непомітна. На нашій планеті створились умови для виникнення життя, і не останню роль тут відіграло вдале поєднання відстані від Сонця і наявності атмосфери, яка тримає комфортну температуру.
