Qual è la temperatura media dell’universo, e come facciamo a saperlo?

Qui sulla Terra troviamo temperature tendenzialmente confortevoli, ma non appena abbandoniamo il nostro pianeta e il Sistema Solare lo spazio può diventare molto freddo. Nello spazio interstellare le temperature arrivano in alcuni casi ad essere solo una manciata di gradi sopra allo zero assoluto (la minima temperatura concepibile in natura, pari a –273,15 °C). Il luogo più freddo noto nell'universo è la nebulosa Boomerang, con una temperatura di solo 1 °C superiore allo zero assoluto. D'altro canto, quando ci si avvicina alle stelle le temperature salgono in maniera incredibile: nelle zone più interne della corona solare (la parte più esterna dell'atmosfera ) la temperatura può arrivare fino a milioni di °C!

Cosa significa “temperatura” nello spazio?

In fisica esistono diverse definizioni di temperatura, ma quella a cui siamo interessati per questo articolo è la cosiddetta temperatura cinetica. Essa definisce la temperatura come la quantità di energia cinetica di un sistema, cioè banalmente quanto velocemente si muovono o vibrano gli atomi e le molecole di un corpo. I corpi caldi hanno atomi e molecole che si muovono velocemente, mentre quelli freddi lentamente. Se rallentiamo gli atomi fino a fermarli completamente, avremo in teoria zero energia cinetica che corrisponde allo zero assoluto.

Il calore in questo contesto è definito come trasferimento di energia cinetica da un corpo a temperatura, e quindi energia cinetica, più alta, ad un corpo a temperatura più bassa. Esistono diversi modi di scambiare calore tra un corpo e l'altro, chiamati conduzione, convezione e irraggiamento. Due corpi si scambiano calore per conduzione e convezione quando esiste un mezzo fisico tra di loro in grado di trasportare calore. Banalmente questo avviene perché gli atomi e le molecole di un corpo "collidono" con un altro a temperatura più bassa scambiandosi energia fino ad equilibrare la temperatura.

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Lo spazio è pressoché vuoto, di conseguenza il trasferimento di energia per conduzione, cioè per collisioni tra particelle, è praticamente assente e il calore si trasferisce per irraggiamento, ovvero per trasferimento di energia da parte della radiazione elettromagnetica che tutti i corpi dotati di temperatura emettono. È tramite irraggiamento che il Sole trasferisce calore all'atmosfera terrestre, la quale poi la redistribuisce attraverso conduzione o convezione. Dal momento che il trasferimento di calore coinvolge la radiazione elettromagnetica, esso avviene alla velocità della luce.

La temperatura in vari punti dell'universo

Per dare una idea di quanto vuoto sia lo spazio, basti pensare che già solo all'altitudine della Stazione Spaziale Internazionale (400 km), la densità dello spazio è di mille miliardi di volte inferiore a quella dell'aria a livello del mare, mentre nello spazio interstellare le densità scendono fino ad una manciata di atomi di idrogeno per metro cubo, cioè miliardi di miliardi di miliardi di volte inferiore a quella dell'aria sulla Terra.

Non essendoci mezzo materiale, non c'è scambio di calore tramite conduzione, ma solo tramite irraggiamento. Nel caso della Terra, al di fuori dell'atmosfera, la temperatura oscilla dai 120 °C, quando si è esposti direttamente all'energia trasmessa per irraggiamento tramite i raggi solari, ai –150 °C. L'estrema oscillazione è dovuta alla mancanza di una atmosfera che agisca da isolante, per cui tutta l'energia accumulata per irraggiamento viene a sua volta riemessa nello spazio sotto forma di radiazione termica.

Più ci si avvicina ad una stella però, più irraggiamento riceve un corpo, e per questo, ad esempio, i pianeti del Sistema Solare hanno temperature che vanno dai 400/500 °C di Mercurio ai –210 °C di Plutone.  Avvicinandosi sempre di più al Sole sino ad incontrare gli strati più densi della corona solare, l'irraggiamento aumenta a tal punto che le temperature possono raggiungere anche i milioni di gradi.

All'estremo opposto, se ci si trova nello spazio interstellare, la distanza dalla stella più vicina è tale che l'irraggiamento è pressoché assente e le temperature decrescono sino a sfiorare lo zero assoluto. È il caso ad esempio della nebulosa Boomerang a 5000 anni-luce dalla Terra nella costellazione del Centauro che è il posto più freddo dell'Universo a noi noto, con una temperatura di solo un grado superiore allo zero assoluto.

Se consideriamo invece l'intero universo, la sua temperatura media è di –270,42 °C, che corrisponde alla temperatura della radiazione cosmica di fondo, generatasi 300.000 anni dopo il Big Bang. Inizialmente, questa radiazione aveva una temperatura di circa 2700 °C, ma con l'espansione dell'universo essa è andata raffreddandosi fino al valore odierno di –270,42 °C. Ciò implica che più l'universo invecchierà, più la sua temperatura media diminuirà fino ad avvicinarsi allo zero assoluto.