Welche Temperatur hat das Weltall?

Maike Pollmann
Galaxie
© NASA, JPL / Caltech / ESA, STScI / SAO / CXC
(Ausschnitt)
a) keine
b) minus 273 Grad Celsius
c) minus 270 Grad Celsius
d) Mehrere Millionen Grad Celsius

Antwort:

Die Antwort dieser Frage hängt stark davon ab, wo man sich im Weltraum befindet. Die Temperatur des "leeren" Raumes lässt sich aber mit minus 270 Grad Celsius angeben.

Erklärung:

Im Alltag, also unter irdischen Verhältnissen, ist unser Verständnis von Temperatur damit verknüpft, wie warm oder kalt wir etwas empfinden. Siebzig Grad heißes Wasser würde sich viel heißer anfühlen als ebenso hoch temperierte Luft. Erst ein Thermometer schafft Gewissheit – auf Grundlage der physikalischen Definition von Temperatur. Sie betrachtet die durchschnittliche Bewegungsenergie der mikroskopischen Teilchen, die sich in einem Festkörper, einer Flüssigkeit oder einem Gas befinden und ordnet dieser Energie eine Temperatur zu.

Die Teilchen im Wasser oder in der Luft stoßen ständig aneinander und haben dadurch in etwa dieselbe Energie. Man nennt diesen Zustand thermisches Gleichgewicht. Und auch das Quecksilber in einem Thermometer nimmt durch solche mikroskopischen Stöße Energie auf, wodurch es mit seiner Umgebung in thermisches Gleichgewicht kommt. In diesem Fall dehnt es sich durch die Erwärmung aus und zeigt auf einer geeichten Skala die Temperatur von siebzig Grad Celsius an.

Der Grund dafür, dass wir die Temperaturen unterschiedlich wahrnehmen, ist die geringere Dichte der Luft. Sie beinhaltet weniger Teilchen und damit weniger Energie – auch, wenn die einzelnen Teilchen dieselbe Geschwindigkeit und damit Bewegungsenergie haben wie diejenigen im Wasser.

Für Astronomen ist die Erdatmosphäre im Vergleich zum Weltall allerdings immer noch sehr dicht. Schon bei uns im Sonnensystem sind zwischen den Planeten so wenige Teilchen vorhanden, dass diese so gut wie nie miteinander zusammenstoßen. Es herrscht also kein thermisches Gleichgewicht zwischen ihnen.

Deutlich wird das zum Beispiel an den Teilchen des Sonnenwinds, die auch an der Erde vorbeischießen. Deren Energien entsprechen der Temperatur der Sonnenkorona – beachtliche eine Million Grad –, doch ein Astronaut im erdnahen Weltall würde trotzdem erfrieren, da die wenigen Teilchen zu wenig Energie übertragen, um ihn aufzuwärmen. Anders sähe es aus, wenn er auf der Sonnenseite von Merkur stünde: Die direkte Wärmestrahlung unseres Zentralgestirns heizt den Planeten auf 470 Grad Celsius auf, auf seiner Nachtseite hingegen müsste der Raumfahrer bei minus 180 Grad Celsius bibbern.

Fernab von Sternen und Galaxien, mitten im intergalaktischen Raum sind noch weniger Materieteilchen anzutreffen. Die Materiedichte beträgt dort etwa ein Wasserstoff-Atom pro Kubikmeter. Auf der Erde gilt dasselbe Volumen schon mit mehreren Milliarden Teilchen als Vakuum. Der intergalaktische Raum kommt also schon sehr nahe an ein perfektes Vakuum heran. Keine Teilchen – also keine Temperatur?

Selbst wenn keine Materie da wäre, so durchdringt noch immer elektromagnetische Strahlung den gesamten Raum. Damit ist hier nicht die Strahlung von Sternen gemeint, sondern die kosmische Hintergrundstrahlung. Sie stammt aus einer Zeit etwa 400 000 Jahre nach dem Urknall, als sich die ersten Atome bildeten. Die Lichtquanten, die zuvor an den ungebundenen Elektronen streuten, konnten sich nun ungehindert im Weltall ausbreiten. Als Relikt des Urknalls, bevölkern sie noch heute das gesamte Universum mit einer Dichte von etwa 400 Teilchen pro Kubikzentimeter.

Wissenschaftler empfangen die Strahlung heute im Mikrowellenbereich. Indem sie deren Energie bestimmen, lässt sich auch ihr eine Temperatur zuweisen. Diese liegt nur drei Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Im intergalaktischen Raum, fernab von anderen Himmelsobjekten, kommen die wenigen Teilchen mit dieser Hintergrundstrahlung ins thermische Gleichgewicht. Dem Universum kann somit eine Temperatur von minus 270 Grad Celsius zugeordnet werden – abgesehen von lokalen Störungen durch Sterne oder andere Strahlungsquellen.

Und angenommen, Forscher könnten einen teilchen- und strahlungsfreien Raum erzeugen, so wäre immer noch kein perfektes Vakuum erreicht. Verantwortlich dafür sind die seltsamen Auswüchse der Quantenmechanik. Danach entstehen auch am absoluten Nullpunkt – der praktisch niemals erreicht werden kann – im völligen Nichts ständig Teilchen-Antiteilchen-Paare, die sich sofort wieder gegenseitig vernichten. Diese Quantenfluktuationen zeugen davon, dass der absolut leere Raum Energie besitzt – die Vakuumsenergie. Also ließe sich theoretisch auch hier eine Temperatur festlegen.

Welche Temperatur hat das Weltall?