Jeigu žvaigždės karštos, tai kodėl kosmose šalta?

Jie tektų atsidurti atvirame kosmose, rekomenduojame nepamiršti šiltos aprangos. Mat už mūsų planetos ribų temperatūra gali nukristi ir iki -270°С. Tačiau kodėl taip vyksta, juk žvaigždės nuolat ir dosniai spinduliuoja šilumą?

Daugelis tikrai stebisi, kad taip vyksta. Pavyzdžiui, mes esame už 150 milijonų kilometrų nuo Saulės, tačiau kasdien gauname šilumos. Kai kurios teritorijos įkaista iki daugiau nei 60°С. Kodėl taip nebūna kosmose?

Norint tai išsiaiškinti, pirmiausia reikėtų panagrinėti, kas yra šiluma ir kas – temperatūra. Šiluma – objekte esanti energija. O sukauptos šilumos lygis matuojamas temperatūra. Kai objektas šilumą sugeria, jo temperatūra kyla.

Šiluma perduodama trimis būdais: laidumu, konvekcija ir spinduliavimu. Laidumas labiausiai pasireiškia kietuose kūnuose, nes juos sudarančios dalelės yra arti viena kitos ir „susikabinusios“. Įkaitusios kieto kūno molekulės ima vibruoti ir judinti šalia esančias ne tokias energingas, šios – dar toliau esančias ir taip šiluminė energija iš šiltesnių dalelių keliauja link šaltesnių.

Konvekcija vyksta skystos ir dujinės fizinės būsenos medžiagose, tai yra, skyčiuose, dujose ir plazmoje. Karštų kietų medžiagų paviršiuje esantiems skysčiams ar dujoms šiluminė energija perduodama laidumo būdu, įkaitusios dujos ar skysčiai plečiasi, jų tankis mažėja ir jei yra traukos gradientas – kyla, nusinešdamos perimtą šilumą – vyksta konvekcija.

Yra ir spinduliavimas – objektas šilumą skleidžia elektromagnetinėmis bangomis. Visos medžiagos, turinčios nors truputį šiluminės energijos, t.y. šiltesnės, nei 0 kelvinų, tą energiją spinduliuoja. Spinduliavimo tipas priklauso nuo kūno temperatūros. Pavyzdžiui, žmogaus kūnas spinduliuoja šilumą infraraudonųjų bangų pavidalu. Specialiais prietaisais – termovizoriais, – tą spinduliavimą galima matyti. Tai naudojama naktinio matymo žiūronuose ir panašiai.

Kuo objektai karštesni, tuo stipriau jie spinduliuoja. Ryškus šiluminio spinduliavimo pavyzdys – mūsų Saulė. Didžiąją dalį savo energijos ji išspinduliuoja būtent kaip šilumą ir aprūpina ja visą Saulės sistemą.

Pažymėtina, kad temperatūra būdinga tik materijai. Jei dar tiksliau – tik barioninei materijai, nes tamsioji materija „šilta – šalta“ žaidimų nežaidžia. Galima sakyti, kad spinduliavimas atitinka tokią ar kitokią absoliučiai juodo kūno temperatūrą, nes nuo to priklauso spinduliavimo energija, – elektromagnetinių bangų dažnis, – bet pats spinduliavimas temperatūros neturi.

Tačiau kosmose materijos dalelių nėra daug, didžiąją jo dalį užima vakuumas (dalelių jame vis viena yra, tačiau jų labai mažai ir jos toli viena nuo kitos).

Taigi, šilumos perdavimas vyksta neefektyviai – laidumo ir konvekcijos metodai čia neveikia. Vienintelis įmanomas šilumos perdavimo būdas čia – spinduliavimas.

Kai Saulės spinduliai apšviečia objektą, jų pernešama energija ima judinti to objekto atomus. O kūną sudarančių dalelių vibravimas reiškia šilumą.

Kosmose pernelyg mažai dalelių, kurios galėtų susidaužti ir perduoti energiją laidumo ar konvekcijos būdu. Todėl objektai kosmose energiją perduoda tik spinduliavimu. Tai nėra labai efektyvu, todėl kosmose kūnai ilgai išlaiko temperatūrą – kosmose skrendantiems objektams tai gali kelti problemų. Tas pats principas šilumą išlaiko vakuuminiuose termosuose.

Žemėje viskas kitaip, nes turime atmosferą. Todėl Saulės spindulius suvokiame kaip šilumą. O kas vyksta už atmosferos ribų?

Kosmose tiesioginiais Saulės spinduliais apšviečiami objektai Žemės orbitoje gali įkaisti iki 120°С. Jei tiesioginių spindulių nėra, objektų temperatūra gali pasiekti 10°С (283 K). Juos įšildo iš mūsų atmosferos atlėkusios molekulės – termosferoje (>80 km aukštyje nuo Žemės paviršiaus) Saulės spinduliavimas molekules gali įkaitinti ir iki 2500°С, tačiau jų labai mažai ir jų pernešamas energijos nepakanka kiek daugiau sujudinti termometro molekules.

Tačiau jei nukeliausime tolyn į atvirą kosmosą, vidutinė temperatūra nepakyla aukščiau 3 kelvinų. Taigi, nors Visatoje trilijonai karštų žvaigždžių, tačiau labai daug niekuo neužpildytos tuštumos – ir jos vis daugėja, – o spinduliavimas yra neefektyvus šilumos perdavimo būdas, dar ir silpnėjantis pagal atvirkštinių kvadratų dėsnį. Štai todėl kosmose šalta.