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太空的溫度是多少?


宇宙接觸如果是在完全真空的狀態下,溫度的概念是不存在的。溫度反映的是粒子熱運動的劇烈程度,沒有任何東西的真空並沒有溫度的概念。但在太空中,那...

- 2019年5月08日01時32分
- 科學文摘 / 宇宙接觸

宇宙接觸

如果是在完全真空的狀態下,溫度的概念是不存在的。溫度反映的是粒子熱運動的劇烈程度,沒有任何東西的真空並沒有溫度的概念。

但在太空中,那裡並非是完全不包含任何物質的真空,只是密度低至10^26千克/立方米,相當於每立方米空間中存在大約6個質子,所以在很多時候可以把太空近似認為是真空。但如果要討論溫度,遍布光子的太空是有溫度的概念。


在宇宙中的各個地方,均勻地分布著宇宙中最為古老的光子,它們已經在太空中傳播了大約138億年的時間。在宇宙形成38萬年後,光子開始與其他帶電粒子脫耦,它們第一次可以自由地在空間中傳播,那時的宇宙平均溫度約為3000開氏度(開氏度=攝氏度+273.15)。經過大約12萬年的時間,光子完全脫耦。

隨著時間的推移,這些光子均勻地擴散到整個宇宙空間中。不過,宇宙空間在過去138億年里一直在膨脹,甚至在大約40億年前還開始加速膨脹,所以宇宙最早的光子會不斷紅移,波長變得越來越長。到了如今,這些光子已經成為了肉眼不可見的微波,只有通過射電望遠鏡才能探測到它們。

在現代宇宙學中,宇宙最早光子被稱為宇宙微波背景輻射,這是宇宙大爆炸理論最有力的證據之一。迄今為止,與宇宙微波背景輻射有關的研究已經誕生了兩個諾布爾物理學獎。


上圖是美國宇航局(NASA)的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)經過9年的時間所繪製出的宇宙微波背景輻射全天圖,圖中顯示宇宙的平均溫度非常均勻。只有局部出現輕微的溫度漲落,這代表的是未來會演化成星系的宇宙結構。

根據目前最精確的測量結果,宇宙微波背景輻射頻譜與2.725開氏度的黑體輻射頻譜剛好吻合,這意味著宇宙的平均溫度為2.725開氏度,即零下‭270.425‬攝氏度,這就是太空的平均溫度。


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