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

Chúng ta đã biết bức xạ nhiệt từ Mặt Trời đóng vai trò quan trọng trong sự sống trên Trái Đất. Mặt Trời có nhiệt độ trên bề mặt lên đến 5527 độ C và truyền đến Trái Đất qua một khoảng cách 150 triệu km. Với lượng nhiệt mà Mặt Trời tạo ra là vô cùng lớn, chúng ta có thể nghĩ rằng nhiệt độ ở không gian bên ngoài sẽ rất cao. Tuy nhiên, thực tế lại khác, nhiệt độ bên ngoài không gian lại cực kỳ thấp. Vậy điều gì làm cho không gian trở nên lạnh lẽo như vậy?

Một góc nhỏ của Dải Ngân hà

Nguyên nhân đầu tiên là vì vũ trụ quá rộng lớn. Hãy tưởng tượng vũ trụ như một chiếc hộp khổng lồ không giới hạn, kéo dài đến vô tận. Khi chúng ta quan sát vũ trụ, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phạm vi nhỏ của nó, với đường kính khoảng 91 tỷ năm ánh sáng. Trong khi đó, khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất chỉ khoảng 0,000016 năm ánh sáng. Do không gian là vô tận, nhiệt từ các ngôi sao trong vũ trụ sẽ tiêu tan trước khi đến được các ngôi sao hoặc hành tinh khác.

Hãy cùng nhìn vào một ví dụ cụ thể: Mặt Trời bức xạ nhiệt lượng mỗi giây tương đương với một quả bom nghìn tỷ megaton. Mặt Trời cách Trái Đất 150 triệu km, và ánh sáng từ Mặt Trời mất 8 phút để đến tới Trái Đất. Tuy nhiên, ánh sáng từ ngôi sao gần nhất (Proxima Centauri) cần phải mất ít nhất 4 đến 5 năm để đến đến Trái Đất. Điều này chỉ là một góc nhỏ của Dải Ngân hà, trong đó chỉ có 25 ngôi sao trong bán kính 110 nghìn tỷ km tính từ Trái Đất. Toàn bộ Dải Ngân hà có đường kính 100 nghìn năm ánh sáng và chứa hơn 100 tỷ ngôi sao. Tuy nhiên, khu vực này rất nhỏ so với các thiên hà khác trải dài trong vũ trụ, có đường kính lên đến hơn 1,5 triệu năm ánh sáng. Khoảng cách giữa Dải Ngân hà và người láng giềng gần nhất, Andromeda, là 2,5 triệu năm ánh sáng.

Vô số hành tinh, nhưng vô hạn không gian

Trên thực tế, nhiệt độ ngoài không gian không nóng hay lạnh, 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. Mặc dù Mặt Trời của chúng ta rực rỡ, nhưng nó chỉ là một sao lùn màu vàng trung bình, trong khi vũ trụ lại chứa vô số ngôi sao khác có khối lượng lớn hơn 60 lần và nhiệt độ bề mặt lên đến gần 25.000°C.

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

Vậy tại sao lại có sự mâu thuẫn này? Nguyên nhân là môi trường không gian gần như là chân không hoàn hảo, không thể truyền nhiệt qua các phân tử. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng nhiệt có thể lan truyền qua ba phương pháp: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Trong không gian, phương pháp tốt nhất để nhiệt lan tỏa là thông qua bức xạ nhiệt.

Mặt Trời bức xạ nhiệt với cường độ khoảng 64 triệu W/m2. Khi bức xạ tiếp xúc với Trái Đất, năng lượng đã giảm xuống còn 1370 W/m2. Do đó, cường độ ánh sáng từ Mặt Trời đã giảm hơn 47.000 lần khi nó đến Trái Đất.

Đối với không gian giữa các ngôi sao trong thiên hà, năng lượng bức xạ còn bị tiêu tán nhiều hơn. Nhiệt độ của không gian giữa các ngôi sao chỉ khoảng -263,15°C. Còn con số -270.15°C được lấy từ các khu vực trống rộng lớn giữa các thiên hà và các 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. Đồng thời, các bức xạ nhiệt từ cơ thể con người lại thoát ra ngoài, gây ra cảm giác lạnh lẽo. Tuy nhiên, nếu chúng ta đang đứng trên một hành tinh quay xung quanh một ngôi sao sáng chói, thì chắc chắn đây sẽ là một mùa hè oi bức, tạo ra làn da rám nắng như chúng ta mong muốn.