Космос всегда манил человечество своей загадочностью и величием. Но за красотой звёздного неба скрывается суровая реальность — там царят экстремальные условия, в которых температура падает почти до абсолютного нуля. Почему же Вселенная настолько холодна, и что делает вакуум столь враждебным для жизни? Давайте разберёмся.
Холод за пределами Солнечной системы
Далеко за пределами нашей Солнечной системы и даже за краями нашей Галактики — в огромной пустоте космоса — расстояние между частицами газа и пыли становится настолько большим, что они почти не могут передавать тепло. В этих безвоздушных областях температура может опускаться примерно до –270,6 °C (2,7 Кельвина). Уже пробрало до дрожи?
Однако понять, насколько холоден космос и почему вакуум обладает такой температурой, не так уж просто.
Для физиков вопрос о температуре связан прежде всего со скоростью и движением частиц. «Когда мы говорим о температуре в комнате, это совсем не то, как об этом рассуждает учёный», — объясняет астроном Джим Соул из Технологического института Джорджии. «Мы используем понятие “тепло”, чтобы описать скорость движения всех частиц в определённом объёме».
Учёные почти всегда измеряют экстремально низкие температуры в кельвинах, а не в градусах Цельсия или Фаренгейта. Поэтому и здесь мы будем использовать именно эту шкалу.
Откуда берётся тепло во Вселенной
Практически всё тепло во Вселенной исходит от звёзд, подобных нашему Солнцу. Внутри Солнца, где идёт процесс ядерного синтеза, температура достигает 15 миллионов кельвинов. На поверхности звезды она гораздо ниже — около 5800 кельвинов.
Тепло, которое испускает Солнце и другие звёзды, распространяется по космосу в виде инфракрасного излучения, известного как солнечная радиация. Эти волны энергии нагревают только те частицы, которые встречаются у них на пути. Всё, что остаётся вне прямого воздействия солнечных лучей, сохраняет низкую температуру. И речь идёт о действительно низких значениях.
Как холодно на планетах и спутниках
Даже на Меркурии, ближайшей к Солнцу планете, ночью температура падает примерно до 95 кельвинов. А на поверхности Плутона фиксируется около 40 кельвинов. Интересно, что рекордно низкую температуру в нашей системе удалось зарегистрировать гораздо ближе к Земле. В 2009 году учёные измерили температуру в глубине тёмного кратера на Луне и выяснили, что она опускается до 33 кельвинов.
Это невероятно холодно — примерно –240 °C.
Пустота космоса
Но Вселенная огромна — настолько, что человеческому разуму трудно её представить. Что же насчёт самого вакуума космоса?
Здесь всё становится ещё сложнее. Внутри галактик и между ними облака пыли и газа обычно имеют температуру от 10 до 20 кельвинов. А наиболее пустые области пространства, где почти ничего нет, кроме космического реликтового излучения — слабого остаточного тепла от рождения Вселенной, — сохраняют температуру около 2,7 кельвина.
Эти значения опасно близки к абсолютному нулю. Абсолютный ноль равен –273,15 °C. Это состояние, при котором движение частиц прекращается полностью, и никакого тепла не передаётся даже на квантовом уровне.
Почему в космосе так холодно
В вакууме газовые частицы встречаются очень редко — примерно один атом на чайную ложку пространства (10 кубических сантиметров). Поэтому они не могут эффективно обмениваться теплом через теплопроводность или конвекцию. Единственный способ передачи энергии в космосе — это излучение. Оно регулирует то, как частицы света, или фотоны, поглощаются и испускаются.
Чем дальше мы уходим в межзвёздное пространство, тем отчётливее ощущается холод космоса. «Я не думаю, что где-то можно достичь абсолютного нуля», — говорит Соул. «Всегда будет хоть немного света, а значит, и некоторое движение».
Возможно, где-то во Вселенной существуют области, где температура опускается всего на 1 кельвин выше абсолютного нуля. Но пока что столь низкие значения удавалось получить только в лабораториях на Земле.
«Люди вообще-то неплохо умеют создавать экстремальные температуры», — отмечает аспирант астрофизики Аласдер Джент из того же института. Учёные научились воспроизводить условия как вакуума космоса, так и недр звёзд вроде нашего Солнца.
Наша защитная атмосфера
На Земле нам повезло гораздо больше. «За пределами атмосферы частицы могут двигаться с огромной скоростью, но если бы вы сняли скафандр, вы бы почувствовали холод. Всё потому, что частиц там мало и они почти не сталкиваются с вами», — поясняет Соул. «На поверхности Земли частицы не так быстры, зато их неисчислимое количество».
Атмосфера нашей планеты прекрасно справляется с распределением солнечного тепла с помощью теплопроводности, конвекции и излучения. Именно поэтому мы так остро ощущаем смену температуры. «Частицы воздуха начинают двигаться чуть быстрее из-за солнечного света или погодных процессов», — добавляет учёный.
Когда люди покидают безопасные границы Земли, они используют скафандры и космические корабли, защищающие от экстремальных температур. В этом случае на помощь приходят инженерные решения и качественная теплоизоляция.
Например, скафандры времён «Аполлона» были снабжены системой обогрева, которая включала гибкие трубки и литиевые батареи. Современные костюмы оснащаются микроскопическими капсулами с химическими веществами, реагирующими на тепло и помогающими космонавтам бороться с холодом.
Новые скафандры программы Artemis, которые доставят на Луну следующего мужчину и первую женщину, будут иметь портативную систему жизнеобеспечения. Она позволит астронавтам поддерживать комфортную температуру не только на Луне, но и в дальних миссиях.
Что будет без защиты
Если бы человек оказался в космосе без скафандра, тепло его тела — примерно 100 ватт — начало бы быстро уходить в пустоту. Это происходило бы через излучение, так как ни теплопроводность, ни конвекция там не работают. В итоге человек медленно замёрз бы насмерть. Хотя на самом деле смерть наступила бы раньше — от удушья.
Ведь космос — это крайность во всём: и в жаре, и в холоде, и в отсутствии воздуха.
