Uzayda Sıcaklık Ne Kadar? Bu Sorunun Tek Cevabı Yok

Bu astronot aynı anda 121 °C ve – 157 °C sıcaklıktadır. Bu nasıl mümkün olabilir?

ÖNEMLİ OLAN

• Bir uydu, sıcaklıkları birkaç yüz derece fark eden aydınlanan bir yüz ve gölgede kalan bir yüze sahiptir.

• Uzay ortamında, enstrümanlar aynı anda birden fazla sıcaklığı, aynı noktada var olan şekilde ölçer.

• “Uzayda hava sıcaklığı nedir?” sorusunun bir değil, birden fazla cevabı vardır.

Uzayda hava sıcaklığının ne olduğunu bir arama motorundan sorarsanız, muhtemelen – 270 °C sonucunu bulursunuz. Bu yaygın dolaşan bir rakamdır, ancak neredeyse hiçbir zaman doğru değildir.

Uluslararası Uzay İstasyonu’nu (ISS) saran iyonlaşmış gaz (plazma), 400 kilometre yükseklikte, birkaç dereceye kadar ısıtılmış bir gazın göstereceği gibi hareketlidir. Yine de hiçbir astronot orada pişirilmemiştir. Ve istasyonun kendisinin kabuğunun sıcaklığı, aydınlanan yüzlerde yaklaşık 121 °C’den gölde kalan yüzlerde – 157 °C’ye kadar değişir. Aynı yer, aynı an, birden fazla sıcaklık bir arada var olur.

Europe Newsletter | Inline | A weekly email for Europeans

Bir tek sıcaklığın uzayda anlam taşımadığını anlamak için, önce neden Dünya’da anlam taşıdığını görmek gerekir. Bu satırları okuduğunuz odada, her bir hava molekülü ortalamaya 66 milyarda bir metre yol almadan önce başka bir molekülle çarpışır. Böylece saniyede birkaç milyar çarpışma yaşar. Her çarpışmada moleküller arasında biraz enerji alışverişi olur: en hızlıları yavaşlar, en yavaşları ise hızlanır. Bu enerji alışverişinin sonucu olan, termodinamik denge olarak adlandırılan olgu, tek bir sıcaklık üretir; hava için, duvarlar için ve termometreniz için geçerlidir, çünkü onlardan hiçbirinin sapması için zamanı yoktur.

Yerde sizi saran hava, santimetreküp başına 25 milyar milyar parçacıktan oluşur. Uzayda yoğunluk ise santimetreküp başına birkaç parçacıyla sınırlıdır; o kadar düşüktür ki, bu çarpışmalar o kadar seyrelir ki, enerji alışverişi mekanizması durur. Sıcaklık ise anlamını korur: parçacıkların hareketini ölçer, aktarabilecekleri ısıyı değil.

Altı termometre, altı cevap

Bu kopuş, birkaç parçacık popülasyonunun karışmadan yan yana yaşadığı yerde en uç noktasına ulaşır; örneğin bir kuyrukluyıldızın etrafında. 2014’ten 2016’ya kadar Avrupa uzay aracı Rosetta, 67P/Churyumov-Gerasimenko kuyrukluyızızını eşlik etti. Isınarak kuyrukluyıldızın çekirdeği gaz salar ve bu gaz güneş ışığıyla iyonlaşır; bir plazmaya dönüşür. Enstrümanlarımız aynı noktada bir sıcaklık değil, üst üste binme buldu.

Çekirdekten süzülen nötral moleküller soğuktur, yaklaşık –100 °C. Bu nötral moleküllerin iyonlaşmasıyla oluşan kuyrukluyıldız iyonları, kuyrukluyıldızın çekirdeğine yakın –100 °C’den, kuyruğuna sürüklendiklerinde birkaç bin dereceye kadar değişen sıcaklıklara sahiptir. Bu moleküllerle temasta soğuyan “soğuk” elektronlar yaklaşık 300 ile 3.000 °C arasındadır. “Ilık” elektronlar ise doğdukları enerjinin çoğunu korurlar ve 20.000 ile 100.000 °C arasında yer alırlar. Bu iki popülasyon sürekli birlikte var olur ve sıcaklıkları arasındaki oran çoğu zaman 30 ile 100 arasındadır. Son olarak, “sıcak” elektronlar, bunlardan bile daha seyrek, birkaç yüz bin dereceye ulaşır.

Ve uzay aracı kendisi? Onun da ortama ait tek bir sıcaklığı yoktur. Rosetta uzay aracı yolculuğu boyunca +130 ile –150 °C arasında değerler yaşadı. Kuyrukl yıldızının etrafında, Rosetta’nın Güneş’in ışınlanma ve ısınmasıyla aydınlanan yüzeyleri, gölgedeki tarafa göre birkaç on, hatta yüz dereceye kadar daha yüksek sıcaklıklara ulaşabiliyordu. Dolayısıyla plazma sıcaklığını ölçen enstrümanın kendisinin de tek bir sıcaklığı yoktur.

Beş parçacık popülasyonu, artı aracın kendisi: altı termometre, altı yanıt, aynı noktada ve aynı anda.

Neden karışmıyorlar?

Kalan rahatsız edici soru: bu popülasyonlar neden asla eşitlenmiyor? Çünkü eşitlemek, birbirleriyle karşılaşmayı gerektirir. Bir hava molekülünün iki çarpışma arasında birkaç on nanometre kat ettiği yerde, kuyruak yıldız plazmasının parçacıkları hiçbir şeyle karşılaşmadan onlarca kilometre gidebilir.

Sorun daha ileri gidiyor. Aynı noktada sıcaklık, neredeyse baktığınız yöne göre değişebilir! Yüklü parçacıklar (yonlar ve elektronlar) serbestçe hareket etmez: manyetik alan çizgileri etrafında dolanırlar, tıpkı bir ip üzerindeki boncuklar gibi. İp boyunca hareket serbesttir; enine hareket ise güçlü biçimde kısıtlıdır. Dolayısıyla parçacıkların hareketliliğinin iki yönde de aynı olması gerekmez: uzay artık « isotrop » değildir, yani özellikleri bakılan yöne göre değişir.

Uzay ortamı (güneş rüzgarı) ile bir gezegen arasındaki sıkıştırılmış plazma bölgesi, tam da böyle dengesizliklerin merkezidir. Dünya etrafındaki ölçümler, yüklü parçacıkların bir yöndeki sıcaklığının diğerine göre iki kat daha yüksek olabileceğini gösteriyor. Merkür etrafında ise bundan henüz bir şey bilmiyoruz; işte simülasyonlarımızı bugün bunu öngörerek yapıyoruz, BepiColombo’ya yüklediğimiz diğer enstrümanımız bunları ölçmeden önce.

Mesurer ce qui n’est pas unique

Et c’est ce qui rend la mesure difficile. Un instrument qui annoncerait un seul nombre serait peu utile dans l’espace. Il faut des appareils capables de séparer les populations et, désormais, d’accéder à la dépendance en direction.

Mais ces appareils subissent eux-mêmes ce qu’ils mesurent : sur la sonde Solar Orbiter, consacrée à l’étude du Soleil et qui approche jusque 3,6 fois plus près du Soleil que la Terre, les antennes électriques de six mètres se courbent sous l’effet de la dilatation thermique qui y est 13 fois plus forte que sur Terre, la face éclairée s’allongeant plus que la face à l’ombre. C’est l’effet « banane » ; au plus près du Soleil, leur extrémité se déplace d’un mètre et demi, soit le quart de leur longueur.

Autour de Mercure, la contrainte est également rude. La lumière y est 11 fois plus intense qu’autour de la Terre. Le sol de la planète passe de plus de 430 °C le jour (de quoi faire fondre le plomb) à moins de – 170 °C la nuit : la plus forte amplitude thermique de toutes les planètes telluriques. C’est aussi ce qu’un satellite placé autour de Mercure devrait supporter. Les sondes sœurs européenne et japonaise de la mission spatiale BepiColombo arriveront en orbite autour de Mercure, le 21 novembre 2026. Nous n’irons pas y chercher la température de Mercure. Nous irons y chercher toutes celles qui s’y superposent, avec des instruments qui, eux aussi, en ont plusieurs.

• température
• Agence nationale de la recherche (ANR)