Tại sao ngoài không gian lại lạnh lẽo trong khi có Mặt trời và rất nhiều ngôi sao?

Chúng ta biết rằng, bức xạ nhiệt do Mặt Trời tạo ra đóng vai trò cực kì quan trọng đối với sự sống trên hành tinh. Quả cầu lửa – trung tâm của hệ Mặt Trời có nhiệt độ trên bề mặt lên đến 5527 độ C, truyền đến Trái Đất với khoảng cách đáng kinh ngạc 150 triệu km. Rõ ràng, có thể thấy được lượng nhiệt mà Mặt Trời tạo ra là vô cùng lớn.

Đó là chỉ tính riêng trong Hệ Mặt trời, nếu xét cả vũ trụ, nơi có rất nhiều ngôi sao hay hành tinh đang tạo ra một lượng nhiệt mà con người hoàn toàn không thể tính toán được, thì chúng ta có quyền tin rằng môi trường ngoài không gian sẽ rất nóng. Tuy nhiên trái với hình dung, nhiệt độ bên ngoài không gian lại cực kỳ thấp. Làm sao điều này có thể?

Nhiệt độ ngoài không gian cực kỳ thấp.

Một góc nhỏ của Dải Ngân hà

Nguyên nhân đầu tiên và đơn giản nhất có thể lý giải câu hỏi trên đó là: Vũ trụ quá rộng lớn. Hãy cứ tưởng tượng nó giống như một chiếc hộp khổng lồ không giới hạn, bao la và kéo dài đến vô tận. Vũ trụ mà hiện nay chúng ta có thể quan sát được có đường kính vào khoảng 91 tỷ năm ánh sáng, trong khi khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất vào khoảng 0,000016 năm ánh sáng. Vì tính chất vô tận của không gian, nên lượng nhiệt tỏa ra từ các ngôi sao sẽ gần như tiêu tan trước khi đến được các ngôi sao hay hành tinh khác.

Hãy thử tiếp cận vấn đề này dưới một góc nhìn cụ thể hơn: Cách xa 150 triệu Km so với Trái Đất, mỗi giây Mặt Trời sẽ bức xạ nhiệt có năng lượng tương đương với một quả bom nghìn tỷ megaton (trong khi quả bom nhiệt hạch có sức công phá khủng khiếp nhất từng được chế tạo là Tsar Bomba chỉ khoảng 50 megaton). Nếu tính theo vận tốc ánh sáng (gần 300.000 km/s) thì phải cần đến 8 phút để ánh sáng từ Mặt Trời có thể tiếp cận được với địa cầu. Khi không muốn nhận ánh sáng từ Mặt Trời, thì cần phải chờ ít nhất từ 4 đến 5 năm để ánh sáng từ ngôi sao gần nhất (Proxima Centauri) tiếp cận hành tinh của chúng ta.

Hiện nay tại một góc rất nhỏ của Dải Ngân hà (nơi có hệ Mặt Trời) chỉ có 25 ngôi sao nằm trong bán kính 110 nghìn tỷ km tính từ Trái Đất. Nếu mở rộng ra toàn bộ Dải Ngân hà với đường kính 100 nghìn năm ánh sáng thì ghi nhận được đến hiện tại có khoảng hơn 100 tỷ ngôi sao. Tuy nhiên, khu vực này hầu như không "thấm tháp" gì so với các thiên hà khác trải dài trong vũ trụ - những nơi có đường kính lên đến hơn 1,5 triệu năm ánh sáng. Khoảng cách giữa Dải Ngân hà của chúng ta và "người láng giềng" gần nhất Andromeda là vào khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng.

Khoảng cách giữa Dải Ngân hà của chúng ta và "người láng giềng" là 2,5 triệu năm ánh sáng.

Cuối cùng, hãy sử dụng tối đa bộ não của bạn để cố gắng tưởng tượng vấn đề sau đây: Các nhà khoa học ước tính rằng chỉ trong phạm vi mà họ quan sát được, có đến 100 tỷ thiên hà đang tồn tại trong vũ trụ, trải dài trên một khoảng cách 46 tỷ năm ánh sáng theo mọi hướng. Những con số trên cho thấy được mức độ vô tận của vũ trụ mà Trái Đất chúng ta chỉ là một hạt cát li ti trong "sa mạc" vũ trụ rộng lớn đó.

Vô số hành tinh, nhưng vô hạn không gian

Như đã nói ở trên, với một vũ trụ vô tận được lấp đầy bởi những thiên hà và ngôi sao, thì đáng lẽ nó phải giống như một cái lò hơi khổng lồ vậy. Chưa kể Mặt Trời của chúng ta tuy rực rỡ, nhưng nó chỉ là một sao lùn màu vàng có kích thước trung bình, trong khi ngoài kia lại có vô số ngôi sao có khối lượng lớn hơn 60 lần so với Mặt Trời và nhiệt độ bề mặt của chúng lên đến gần 25.000^oC.

Tuy nhiên thực tế đã chứng minh, nhiệt độ phổ biến nhất ngoài không gian mà các nhà khoa học đã đo được chỉ vào khoảng -270,15^oC, trong khi nhiệt độ thấp nhất theo quy ước là vào khoảng -273^oC. Vì vậy có thể nói vũ trụ gần như ở giới hạn lạnh nhất mà con người có thể đo được.

Vũ trụ gần như ở giới hạn lạnh nhất mà con người có thể đo được.

Vậy sự mâu thuẫn này là do đâu? Có vẻ như chúng ta đã sai khi nhận định toàn bộ thiên hà và ngôi sao đã "chằng chịt" trong vũ trụ, thực tế không gian hoàn toàn được coi là "trống rỗng". Nếu tưởng tượng toàn bộ vũ trụ là một khối lập phương có kích thước cạnh là 30 tỷ năm ánh sáng, thì tất cả các vật chất trong đó sẽ chỉ nằm gọn trong một khối lập phương có kích thước cạnh 1000 năm ánh sáng mà thôi.

Bức xạ - khoảng cách

Ngoài không gian là một môi trường chân không gần như hoàn hảo, vì vậy khả năng truyền nhiệt thông qua các phân tử là không thể. Tuy nhiên chúng ta biết rằng nhiệt có thể được truyền theo ba phương thức khác nhau là dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Vậy trong không gian, phương pháp tối ưu nhất mà nhiệt độ có thể lan tỏa được là thông qua các bức xạ nhiệt.

Các bức xạ từ Mặt Trời bắn ra ngoài không gian có cường độ khoảng 64 triệu W/m². Khi các bức xạ này tiếp xúc với Trái Đất, năng lượng đã tiêu hao gần hết, chỉ còn 1370 W/m². Nếu sử dụng phép tính chia trong trường hợp này, thì cường độ ánh sáng do Mặt Trời tạo ra đã suy yếu hơn 47.000 lần vào thời điểm nó đến được với địa cầu.

Các bức xạ từ Mặt Trời bắn ra ngoài không gian có cường độ khoảng 64 triệu W/m².

Đối với không gian giữa các ngôi sao trong thiên hà, năng lượng bức xạ thậm chí còn bị tiêu tán nhiều hơn nữa. Nhiệt đô của khí và bụi đo được ở khoảng không gian giữa các ngôi sao chỉ khoảng -263,15^oC. Còn con số -270.15^oC được lấy từ các khu vực trống rộng lớn giữa các thiên hà và những "khoảng không" trong vũ trụ, được cho là nhiệt độ của "các bức xạ phông vi sóng vũ trụ" còn sót lại từ vụ nổ Big Bang vào 13,798 tỷ năm trước.

Giấc mơ về một mùa hè "oi bức" ngoài không gian?

Với các thông tin trên, chúng ta có thể hiểu rằng vũ trụ không mang tính chất lạnh hay nóng, mà chỉ đơn giản là do không gian quá rộng đến nỗi các bức xạ nhiệt từ hầu hết các hành tinh hay ngôi sao không thể tiếp cận chúng ta, cùng lúc đó các bức xạ nhiệt bên trong cơ thể thoát ra ngoài, nên gây ra cảm giác lạnh lẽo. Nhưng nếu chúng ta đang đứng trên một hành tinh quay xung quanh một ngôi sao sáng chói, thì chắc chắc đây sẽ là một mùa hè thật sự oi bức, tạo ra làn da rám nắng đúng như chúng ta mong muốn.