درجة الحرارة في الفضاء يقال أنها تبلغ حوالي 2.73 كلفن (K)، أي ما يعادل -270.42 درجة مئوية، و تتراوح من بضع وحدات كلفن في الفضاء الفارغ إلى قيم عالية للغاية بالقرب من النجوم، و بالقرب من الكواكب، حسب الحالة.

عندما نتحدث عن أعماق الفضاء، لدينا صورة للفراغ في رؤوسنا. الفضاء قاحل، مهجور، و خالي إلى حد كبير من أي شيء باستثناء جزر البنية التي تتخلل الكون.

إن المسافات بين الكواكب هائلة، تقاس بملايين الكيلومترات، و هذه المسافات صغيرة نسبياً مقارنة بمتوسط ​​المسافة بين النجوم تقاس بالسنوات الضوئية. يتم تجميع النجوم في مجرات، و التي ينضم إليها الغاز و الغبار و البلازما، على الرغم من أن المجرات الفردية نفسها مفصولة بأطوال أكبر.

على الرغم من المسافات الكونية، فمن المستحيل أن تكون محمية بالكامل من مصادر الطاقة الأخرى في الكون.

ماذا يعني هذا بالنسبة لدرجة الحرارة في الفضاء السحيق؟

إذا بحثت عبر الإنترنت عن درجة حرارة الفضاء، فسوف تجد مجموعة متنوعة من الإجابات، تتراوح من بضع درجات فوق الصفر المطلق إلى أكثر من مليون كلفن، اعتمادًا على المكان و كيف تنظر. عندما يتعلق الأمر بمسألة درجة الحرارة في أعماق الفضاء، فإن القاعدة الأساسية تنطبق بالتأكيد على الموقع.

أول شيء يتعين علينا التعامل معه هو الفرق بين درجة الحرارة و الحرارة. إذا أخذت كمية معينة من الطاقة الحرارية و أضفتها إلى نظام من الجسيمات عند الصفر المطلق، فإن تلك الجسيمات سوف تتسارع و سوف تكتسب طاقة حركية. و مع ذلك، فإن نفس الكمية من الحرارة ستغير درجة الحرارة بكميات مختلفة جدًا اعتمادًا على عدد الجزيئات الموجودة في نظامك. للحصول على مثال صارخ على ذلك، لا نحتاج إلى النظر إلى أبعد من الغلاف الجوي للأرض.

ويمكن لأي شخص تسلق جبل أن يشهد على أنه كلما ارتفع في الارتفاع، أصبح الهواء من حوله أكثر برودة. لا يرجع ذلك إلى اختلاف المسافة من الشمس المصدرة للضوء أو من التربة المشعة على الأرض، بل يعود السبب إلى انخفاض الضغط الجوي؛ فمع انخفاضه تقل الحرارة والتصادمات الجزيئية، وبالتالي تنخفض درجة الحرارة.

ولكن عند الوصول إلى ارتفاعات كبيرة في الغلاف الحراري للأرض، يمكن للإشعاع الشمسي عالي الطاقة أن يفصل الجزيئات إلى ذرات منفردة ويطرد الإلكترونات منها، مما يؤدي إلى تأينها. وعلى الرغم من أن كثافة هذه الجسيمات منخفضة، إلا أن الطاقة لكل جسيم مرتفعة جدًا. تواجه هذه الجسيمات المتأينة صعوبة كبيرة في تبديد حرارتها، ونتيجة لذلك، ورغم أنها تحمل كمية قليلة من الحرارة، إلا أن درجة حرارتها تكون هائلة، مما يختلف بشكل كبير عن درجة الحرارة في الفضاء السحيق الباردة جدًا والتي تصل إلى حوالي 2.7 كلفن.

و بدلاً من الاعتماد على درجة حرارة الجسيمات في بيئة معينة حيث أن قراءة درجة الحرارة ستعتمد على كثافة و نوع الجسيمات الموجودة فمن المفيد طرح السؤال بهذه الصيغة: “إذا كنت (أو أي شخص آخر) جسم مصنوع من مادة عادية، إذا كنت في هذه البيئة، ما هي درجة الحرارة التي سأصل إليها في النهاية بمجرد تحقيق التوازن؟

في الغلاف الحراري، على سبيل المثال، على الرغم من أن درجة الحرارة تتراوح بين 425-925 درجة مئوية، فالحقيقة هي أنك ستتجمد حتى الموت بسرعة كبيرة في تلك البيئة.

عندما نتوجه إلى الفضاء، ليست درجة حرارة البيئة المحيطة بنا هي المهمة، بل مصادر الطاقة الموجودة، و مدى فعاليتها في تسخين الأشياء التي تتلامس معها.

يعتبر فهم درجة الحرارة في الفضاء السحيق أمرًا أساسيًا في علم الفلك، إذ يساعد العلماء على فهم أصل الكون وتطوره، ويقدم معلومات قيمة حول طبيعة الفضاء البعيد وظروفه الفيزيائية.

على سبيل المثال، إذا ذهبنا مباشرة إلى الفضاء، فلن تكون الحرارة التي تشع من سطح الأرض و لا الجسيمات من الغلاف الجوي للأرض هي التي تهيمن على درجة حرارتنا، بل الإشعاع القادم من الشمس، على الرغم من وجود مصادر أخرى للطاقة، بما في ذلك الطاقة الشمسية. الرياح هي كامل طيف ضوء الشمس، أي الإشعاع الكهرومغناطيسي، الذي يحدد درجة حرارة توازننا.

إذا كنت في الفضاء مثل كل كوكب، أو قمر، أو كويكب، و ما إلى ذلك فسيتم تحديد درجة حرارتك بأي قيمة لديك حيث يكون إجمالي كمية الإشعاع القادم مساويًا لكمية الإشعاع الذي تطلقه مع:

• جو كثيف يحبس الحرارة؛
• الأقرب إلى مصدر الإشعاع؛
• فهو أغمق في اللون؛
• أو التي تولد الحرارة الداخلية الخاصة بها.

سيكون بشكل عام درجة حرارة توازن أعلى من الكوكب الذي يتمتع بمجموعة الظروف المعاكسة. كلما امتصت المزيد من الإشعاع، و كلما احتفظت بهذه الطاقة لفترة أطول قبل إشعاعها مرة أخرى، أصبحت أكثر سخونة.

ومع ذلك، إذا أخذت نفس الجسم ووضعته في مواقع مختلفة في الفضاء، فإن الشيء الوحيد الذي سيحدد درجة حرارته هو بعده عن جميع مصادر الحرارة المختلفة في محيطه. لا يهم مكان وجودك، بل يهم المسافة من محيطك النجوم، الكواكب، سحب الغاز، و ما إلى ذلك. الذي يحدد درجة حرارتك. كلما زاد الإشعاع الذي يضربك، أصبحت أكثر سخونة.

بالنسبة لأي مصدر يصدر إشعاعًا، هناك علاقة بسيطة تساعد في تحديد مدى سطوع مصدر الإشعاع بالنسبة لك: يتناقص السطوع بمقدار واحد على مربع المسافة. يؤثر هذا على:

• عدد الفوتونات التي تؤثر عليك؛
• حادثة التدفق عليك؛
• و إجمالي كمية الطاقة التي تمتصها؛
• جميعها تتناقص كلما ابتعدت عن الجسم الذي ينبعث منه إشعاع.

ضاعف مسافتك وسوف تتلقى ربع الإشعاع فقط. ثلاث مرات وستحصل على التاسعة فقط. قم بزيادته بمعامل عشرة وستحصل على جزء من مائة فقط من الإشعاع الأصلي. أو يمكنك السفر لمسافة أبعد ألف مرة وسيضربك جزء تافه من المليون من الإشعاع.

درجة الحرارة في الفضاء و النظام الشمسي

على مسافة الأرض من الشمس 150 مليون كيلومتر يمكننا حساب درجة الحرارة لجسم له نفس طيف الانعكاس و الامتصاص مثل الأرض، و لكن بدون غلاف جوي للاحتفاظ بالحرارة. ستكون درجة حرارة مثل هذا الجسم 21 درجة مئوية، و لكن بما أننا لا نحب التعامل مع درجات الحرارة السلبية، فإننا نتحدث بشكل متكرر أكثر من حيث كلفن، حيث ستكون درجة الحرارة هذه حوالي 252 كلفن.

في معظم الأماكن في النظام الشمسي، تعد الشمس المصدر الرئيسي للحرارة و الإشعاع، مما يعني أنها المتحكم الأساسي في درجة الحرارة داخل نظامنا الشمسي. إذا أردنا وضع نفس الجسم الذي يبعد حوالي 252 كلفن عن الأرض عن الشمس في موقع الكواكب الأخرى، فسنجد أن درجة الحرارة هي التالية:

• الزئبق: 404 كلفن؛
• الزهرة: 297؛
• المريخ: 204؛
• كوكب المشتري: 111؛
• زحل: 82؛
• أورانوس: 58؛
• نبتون: 46.

و مع ذلك، هناك حد لمدى البرودة التي ستشعر بها مع استمرارك في السفر بعيدًا عن الشمس، عندما تكون على بعد أكثر من بضع مئات من المرات من المسافة بين الأرض و الشمس، أو حوالي 1٪ من سنة ضوئية من الشمس، فإن الإشعاع الذي يؤثر عليك لم يعد يأتي بشكل أساسي من مصدر نقطي واحد.

وبدلاً من ذلك، فإن الإشعاع الصادر عن النجوم الأخرى في المجرة، إلى جانب الإشعاع منخفض الطاقة الصادر عن الغازات والبلازما الموجودة في الفضاء، بما في ذلك تأثير درجة الحرارة في الفضاء، سيبدأ في تسخينك تدريجيًا. وكلما ابتعدت عن الشمس، ستلاحظ أن درجة حرارتك لن تنخفض بسهولة إلى أقل من حوالي 10 إلى 20 كلفن.

من بين النجوم في مجرتنا، يمكن العثور على المادة في جميع أنواع المراحل، بما في ذلك المواد الصلبة و الغازات و البلازما. ثلاثة أمثلة مهمة لهذه المادة بين النجوم هي:

• السحب الجزيئية من الغاز: و التي لن تنهار إلا عندما تنخفض درجة الحرارة داخل هذه السحب إلى ما دون القيمة الحرجة؛
• غاز ساخن: معظمه من الهيدروجين، يطن في الأرجاء بسبب تسخينه بواسطة ضوء النجوم؛
• و البلازما المتأينة: و التي تحدث بشكل أساسي بالقرب من النجوم و مناطق تكوين النجوم، و التي توجد بشكل أساسي بالقرب من النجوم الأصغر سنًا و الأكثر سخونة و الأكثر زرقة.

في حين أن البلازما يمكن أن تصل بسهولة إلى درجات حرارة 1 مليون كلفن، و الغاز الساخن يصل عادةً إلى درجات حرارة بضعة آلاف كلفن، فإن السحب الجزيئية الأكثر كثافة تكون عادةً باردة، عند 30 كلفن أو أقل.

و مع ذلك، لا تنخدع بقراءات درجات الحرارة الكبيرة هذه. معظم هذه المادة نادرة بشكل لا يصدق و تحمل القليل جدًا من الحرارة، إذا وضعت جسمًا صلبًا مصنوعًا من مادة عادية في الأماكن التي توجد بها هذه المادة، فسوف يبرد الجسم بشكل هائل، و يشع حرارة أكثر بكثير مما يمتصه.

معدل درجة الحرارة في الفضاء

في المتوسط، تتراوح درجة الحرارة في الفضاء بين النجوم عندما لا تزال داخل مجرة بين 10 كلفن و بضع عشرات من كلفن، اعتمادًا على كميات مثل كثافة الغاز و عدد النجوم القريبة.

ربما تكون قد سمعت، بشكل صحيح تمامًا، أن درجة حرارة الكون تبلغ حوالي 2.7 كلفن، و مع ذلك، فهذه قيمة أكثر برودة بكثير مما ستجده في معظم الأماكن في المجرة.

و ذلك لأنه يمكنك ترك معظم مصادر الحرارة هذه خلفك بالذهاب إلى الموقع الصحيح في الكون. و بعيدًا عن جميع النجوم، و بعيدًا عن سحب الغاز الكثيفة أو حتى المتفرقة الموجودة، بين البلازما الهشة بين المجرات، و في المناطق الأكثر كثافة على الإطلاق، لا يوجد أي من مصادر الحرارة أو الإشعاع هذه مهم.

الشيء الوحيد الذي يجب التعامل معه هو مصدر الإشعاع الوحيد الذي لا مفر منه في الكون: إشعاع الخلفية الكونية الميكروي، و هو في حد ذاته من بقايا الانفجار الكبير نفسه.

معدل درجة الحرارة في الفضاء يختلف بشكل كبير بناءً على الموقع والمسافة من مصادر الطاقة والإشعاع. في المناطق البعيدة عن النجوم والمجرات، يمكن أن تنخفض درجة الحرارة إلى مستويات شديدة البرودة، حيث تصل إلى حوالي 2.7 كلفن (-270.45 درجة مئوية)؛ وهذه هي درجة حرارة الخلفية الكونية التي تعتبر من أبرد النقاط في الفضاء الناتجة عن إشعاع بقايا الانفجار العظيم.

أما في المناطق القريبة من النجوم أو في وجود سحب الغاز والبلازما، يمكن أن ترتفع درجات الحرارة بشكل ملحوظ، حيث تقوم النجوم بإصدار إشعاعات قوية تؤثر على الجسيمات المحيطة بها. على سبيل المثال، يمكن أن تصل درجات الحرارة في مناطق معينة من الغلاف الحراري للأرض إلى مئات أو حتى آلاف الكلفن، رغم أن كثافة الجسيمات هناك منخفضة جدًا.

لذلك، فإن معدل درجة الحرارة في الفضاء ليس ثابتًا، بل يتفاوت بين البرودة الشديدة في الفضاء العميق إلى الحرارة المرتفعة قرب النجوم والمجرات، مما يجعل فهم توزيع الحرارة في الكون من الأمور المعقدة والمهمة في مجال علوم الفضاء.

خلاصة القول

و من بين كل هذه الأشياء، فإن أبرد ما تم رصده هو سديم بوميرانج. على الرغم من وجود نجم عملاق أحمر نشط في المركز، و ينبعث منه كل من الضوء المرئي و الأشعة تحت الحمراء في فصين عملاقين، إلا أن المادة المتوسعة المقذوفة من النجم قد بردت بسرعة كبيرة بحيث أصبحت أقل من درجة حرارة موج الخلفية الكونية .

في الوقت نفسه، و بسبب كثافة البيئة و عتامتها، لا يمكن لهذا الإشعاع الدخول، مما يسمح لهذا السديم بالبقاء عند درجة حرارة 1 كلفن فقط، مما يجعله أبرد موقع طبيعي في الكون المعروف.

على الأرجح، العديد من السدم ما قبل الكوكبية تكون أيضًا أكثر برودة من الخلفية الكونية الميكروية، مما يعني أنه داخل المجرات توجد أحيانًا أماكن أكثر برودة من أعمق أعماق الفضاء بين المجرات.

إذا كان لدينا وصول سهل إلى أعمق أعماق الفضاء بين المجرات، فإن بناء مرصد مثل تلسكوب جيمس ويب الفضائي سيكون مهمة أبسط بكثير.

سيكون الدرع الشمسي المكون من خمس طبقات، و الذي يبرد التلسكوب بشكل سلبي إلى حوالي 70 كلفن، عديم الفائدة تمامًا. سيكون سائل التبريد النشط، الذي يتم ضخه و يتدفق عبر الجزء الداخلي من التلسكوب، لتبريد البصريات و أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة وصولاً إلى 7 كلفن، زائدًا عن الحاجة. كل ما يتعين علينا فعله هو وضعه في الفضاء بين المجرات و سوف يبرد بشكل سلبي من تلقاء نفسه إلى 2.7 كلفن.

أخيرا

في ختام هذا المقال حول درجة الحرارة في الفضاء وتأثير الإشعاع والطاقة على الجسيمات، نجد أن الفضاء ليس مجرد فراغ بارد تنعدم فيه الحرارة كما يُعتقد. إن درجة الحرارة في الفضاء تتأثر بشدة بعوامل مختلفة، أبرزها الإشعاع الصادر عن النجوم بما فيها الشمس، وتواجد الغازات والبلازما التي تنتشر في الفضاء وتساهم في مستويات الحرارة حتى في أبرد المناطق.

على مسافات بعيدة عن الشمس، تنخفض درجة الحرارة في الفضاء بشكل كبير، ولكن الإشعاعات من النجوم الأخرى وإشعاعات الغاز والبلازما تساهم في تثبيت حرارة الجسيمات عند مستويات معينة، عادةً تتراوح بين 10 و20 كلفن. من ناحية أخرى، نجد أن الغلاف الحراري للأرض يقدم نموذجًا خاصًا، حيث تؤدي الطاقة الشمسية عالية الشدة إلى تأين الجسيمات، مما ينتج عنه درجات حرارة مرتفعة في الفضاء القريب من الأرض، على الرغم من انخفاض كثافة الجسيمات.

إن الفهم المتعمق لموضوع درجة الحرارة في الفضاء يساعدنا على تحسين استراتيجياتنا لاستكشاف الكون. حيث يتطلب التعامل مع درجات الحرارة المتغيرة من آلاتنا وأجهزتنا التكيف مع بيئات تتراوح بين برودة شديدة وحرارة هائلة. ومع تقدم العلم والتكنولوجيا، تتسارع وتيرة استكشاف الفضاء، لتقترب معرفتنا من فك لغز درجة الحرارة في الفضاء وتأثيراتها على المستقبل الإنساني في هذا الكون.