Auf vielfachen Wunsch (zwei sind beliebt - danke an @Rod Vance und @Love Learning) werde ich meinen Kommentar zu @Kieran Hunts Antwort etwas erweitern:

Thermisches Gleichgewicht

Wie ich im Kommentar sagte, spielt der Begriff des Klangs im Raum eine sehr wichtige Rolle in der Kosmologie: Als das Universum noch sehr jung war, befanden sich dunkle Materie, normale ("baryonische") Materie und Licht (Photonen) darin thermisches Gleichgewicht, dh sie teilten die gleiche (durchschnittliche) Energie pro Teilchen oder Temperatur. Diese Temperatur war so hoch, dass sich keine neutralen Atome bilden konnten; Jedes von einem Proton eingefangene Elektron würde bald von einem Photon (oder einem anderen Teilchen) abgeschlagen werden. Die Photonen selbst konnten sich nicht sehr weit bewegen, bevor sie auf ein freies Elektron trafen.

Schallgeschwindigkeit in der Ursuppe

Alles war sehr glatt, es hatten sich keine Galaxien oder ähnliches gebildet . Das Zeug war jedoch immer noch leicht klumpig und die Klumpen nahmen aufgrund der Schwerkraft an Größe zu. Aber wenn ein Klumpen wächst, steigt der Druck von Baryonen und Photonen, wirkt dem Kollaps entgegen und drückt Baryonen und Photonen nach außen, während die dunkle Materie dazu neigt, im Zentrum der Überdichte zu bleiben, da sie sich nicht um Druck kümmert. Dies erzeugt Schwingungen oder Schallwellen mit enorm langen Wellenlängen.

Für ein Photonengas beträgt die Schallgeschwindigkeit $$ \ begin {array} {rcl} c_ \ mathrm {s} & = & \ sqrt {p / \ rho} \\ & = & \ sqrt {c ^ 2/3} \\ & \ simeq & 0.58c, \ end {array} $ Dabei ist $ c $ span> die Lichtgeschwindigkeit und $ p $ span> und $ \ rho $ span> sind der Druck und die Dichte des Gases. Mit anderen Worten, die Schallgeschwindigkeit war zu diesem Zeitpunkt mehr als halb so hoch wie die Lichtgeschwindigkeit (bei hohen Temperaturen gibt es eine kleine Korrektur in der Größenordnung $ 10 ^ {- 5} $ ; Partovi 1994).

In einem nicht relativistischen Medium beträgt die Schallgeschwindigkeit $ c_ \ mathrm {s} = \ sqrt {\ partielle p / \ partielle \ rho} $ span> , was sich für ein ideales Gas auf die von @Kieran Hunt angegebene Formel reduziert. Obwohl im Weltraum sowohl $ p $ span> als auch $ \ rho $ span> extrem klein sind, gibt es $ sind $ span> -Partikel und daher ist es sinnvoll, über die Schallgeschwindigkeit im Raum zu sprechen. Abhängig von der Umgebung werden normalerweise viele Kilometer pro Sekunde ausgewertet (dh viel höher als auf der Erde, aber viel, viel kleiner als im frühen Universum).

Rekombination und Entkopplung

Als sich das Universum ausdehnte, kühlte es allmählich ab. In einem Alter von ungefähr 200.000 Jahren hatte es eine Temperatur von ~ 4000 K erreicht und Protonen und Elektronen begannen sich zu neutralen Atomen zu verbinden, ohne sofort wieder ionisiert zu werden. Dies wird als "Epoche der Rekombination" bezeichnet, obwohl sie zuvor nicht kombiniert worden waren.

In ~ 380.000 Jahren, als die Temperatur ~ 3000 K betrug, war der größte Teil des Universums neutral. Wenn die freien Elektronen weg wären, könnten die Photonen nun frei strömen, weg diffundieren und die Überdichte ihres Drucks abbauen. Die Photonen sollen sich von den Baryonen entkoppeln .

Kosmischer Mikrowellenhintergrund

Die Strahlung, die sich entkoppelt hat, hat sich seitdem aufgrund der Expansion des Universums rot verschoben. und da sich das Universum jetzt ~ 1100 Mal ausgedehnt hat, sehen wir das Licht (als kosmischer Mikrowellenhintergrund oder CMB bezeichnet) nicht mit einer Temperatur von 3000 K (was die Temperatur des Universums zum Zeitpunkt der Entkopplung war), sondern mit einer Temperatur von (3000 K) / 1100 = 2,73 K, was die Temperatur ist, auf die sich @Kieran Hunt in seiner Antwort bezieht.

Baryon-Schallschwingungen

Diese Überdichten oder baryonischen akustischen Schwingungen (BAOs) existieren in viel größeren Maßstäben als Galaxien, aber Galaxien neigen dazu, sich auf diesen Maßstäben zu verklumpen, die sich seitdem ausgedehnt haben und nun einen charakteristischen Maßstab von haben ~ 100 $ h ^ {- 1} $ span> Mpc oder 465 Millionen Lichtjahre. Das Messen, wie sich die Entfernung zwischen den Klumpen mit der Zeit ändert, bietet eine Möglichkeit, die Expansionsgeschichte und Beschleunigung des Universums unabhängig von anderen Methoden wie Supernovae und CMB zu verstehen. Und wunderschön, die Methoden stimmen alle überein.

Aus dem idealen Gasgesetz wissen wir: $$ v_ \ textrm {sound} = \ sqrt {\ frac {\ gamma k_ \ textrm { B} T} {m}} $$ span> Unter der Annahme, dass der interstellare Raum durch die CMB gleichmäßig erwärmt wird, hat er eine Temperatur von $ 2.73 \ \ mathrm {K} $ span>. Wir wissen, dass der größte Teil dieses Mediums Protonen und neutrale Wasserstoffatome mit einer Dichte von etwa 1 Atom / cm ^{–3 sup>} umfasst. Dies bedeutet, dass $ \ gamma = 5/3 $ span> und $ m = 1,66 \ times 10 ^ {- 27} \ \ mathrm {kg} $ span>, wobei ein Wert für $ v_ \ textrm {sound} $ span> von $ 192 \ angegeben wird \ mathrm {m \ s ^ {- 1}} $ span>.

Dies wird jedoch im Vakuum nicht effizient verbreitet. Im extrem hohen Vakuum des Weltraums beträgt der mittlere freie Weg Millionen von Kilometern, sodass jedes Teilchen, das das Glück hat *, mit dem schallerzeugenden Objekt in Kontakt zu sein, Licht- wandern muss. Sekunden , bevor Sie diese Informationen bei einer sekundären Kollision weitergeben können.

* Was bei der angegebenen Dichte nur etwa 50 Wasserstoffatome wäre, wenn Sie in die Hände klatschen würden - sehr geringe Schallleistung!

-Edit- Wie in den Kommentaren zu Recht erwähnt wurde, ist das interstellare Medium nicht so kalt. Im Moment bewegt sich unser Sonnensystem durch eine Gaswolke bei ungefähr 6000 K. Bei dieser Temperatur würde die Schallgeschwindigkeit ungefähr $ 9000 \ \ mathrm {m \ s ^ {- 1}} $ span> betragen.

Siehe Kyles Antworten Sie auf eine Wertetabelle für $ v_ \ textrm {sound} $ span>, die in verschiedenen Umgebungen im Weltraum zu finden ist, oder auf Pelas Informationen darüber, wie früh Schallwellen im Universum wurden verantwortlich für die moderne Struktur im großen Maßstab.

Ich möchte nur darauf hinweisen, dass die meisten Antworten "Raum" als schönes einheitliches Medium zu betrachten scheinen. Selbst innerhalb unserer eigenen Galaxie variieren die Bedingungen jedoch stark. Hier sind die häufigsten Umgebungen in der Milchstraße:

• Molekulare Wolken, $ \ rho \ sim 10 ^ 4 \, {\ rm atom} / {\ rm cm} ^ 3 $, $ T \ sim 10 \, {\ rm K} $
• Kaltneutrales Medium, $ \ rho \ sim 20 \, {\ rm Atom} / {\ rm cm} ^ 3 $, $ T \ sim 100 \, {\ rm K} $
• Warmes neutrales Medium, $ \ rho \ sim 0,5 \, {\ rm Atom} / {\ rm cm} ^ 3 $, $ T \ sim 10 ^ 4 \, {\ rm K} $
• Warmes ionisiertes Medium, $ \ rho \ sim 0,5 \, {\ rm atom} / {\ rm cm} ^ 3 $, $ T \ sim 8000 \, {\ rm K} $
• HII-Region, $ \ rho \ sim 1000 \, {\ rm atom} / {\ rm cm} ^ 3 $, $ T \ sim 8000 \, {\ rm K} $
• Heißes ionisiertes Medium, $ \ rho \ sim 10 ^ {- 3} \, {\ rm atom} / {\ rm cm} ^ 3 $, $ T \ sim \; {>} 10 ^ 6 \, {\ rm K} $

Die Schallgeschwindigkeit ist proportional zu $ ​​\ sqrt {T} $. Angesichts der Tatsache, dass die Temperatur über ungefähr 7 Größenordnungen variiert (maximal bei ungefähr $ 10 ^ 7 \, {\ rm K} $, minimal bei ungefähr $ 3 \, {\ rm K} $), variiert die Schallgeschwindigkeit um mindestens einen Faktor von $ 1000 $. Die Schallgeschwindigkeit in einer warmen Region liegt in der Größenordnung von 10 $, {\ rm km} / {\ rm s} $.

Wissenswertes: Die Schallgeschwindigkeit spielt bei vielen astrophysikalischen Prozessen eine entscheidende Rolle. Diese Geschwindigkeit definiert die Zeit, die eine Druckwelle benötigt, um sich über eine bestimmte Strecke auszubreiten. Ein Ort, an dem dies eine Schlüsselzeitskala ist, ist der Gravitationskollaps. Wenn die Schallübergangszeit für eine Gaswolke die freie Fallzeit der Gravitation überschreitet (Zeit, in der sich eine durch die Schwerkraft verursachte Störung ausbreitet), kann der Druck dem Gravitationskollaps nicht widerstehen, und die Wolke ist auf die Schaffung eines kompakteren Objekts (dichtere Wolke) ausgerichtet oder wenn die Bedingungen stimmen, ein Stern).

Weitere Kleinigkeiten: Der Weltraum ist ein sehr schlechter Träger (kein Träger) von Hochfrequenztönen, da die hochfrequente Druckwelle, die übertragen werden kann, eine Wellenlänge von etwa hat der mittlere freie Weg (MFP) von Gaspartikeln. Der MFP im Raum ist groß, daher ist die Frequenzgrenze niedrig .

Die Schallgeschwindigkeit im Weltraum hat mehrere Bedeutungen, da der Weltraum kein Vakuum ist (obwohl die Zahlendichte der Erdmagnetosphäre ~ 6-12 Größenordnungen schwächer sein kann als Das beste Vakuum, das in Labors hergestellt wird, ist voll von ionisierten Partikeln, neutralem und geladenem Staub.

Im interplanetaren Medium oder IPM gibt es fünf relevante Geschwindigkeiten, die alle in gewisser Weise als eine Art Sound betrachtet werden können, da jede mit der Geschwindigkeit der Informationsübertragung im Medium zusammenhängt.

Klassische Idee von Schallgeschwindigkeit

Wenn man die Schallgeschwindigkeit diskutiert, bezieht man sich im Allgemeinen auf die übliche Form von $ C_ {s} ^ {2} = \ Partial P / \ partiell \ rho $, wobei $ P $ das thermische Pre ist ssure und $ \ rho $ ist die Massendichte. In einem Plasma hat dies die leicht veränderte Form von: $$ C_ {s} ^ {2} = \ frac {k_ {B} \ left (Z_ {i} \ \ gamma_ {e} \ T_ {e} + \ gamma_ {i} \ T_ {i} \ right)} {m_ {i} + m_ {e}} $$ wobei $ k_ {B} $ Boltzmanns Konstante ist, $ Z_ {s} $ ist der Ladungszustand der Arten $ s $, $ \ gamma_ {s} $ ist der adiabatische oder Polytrop-Index der Arten $ s $, $ m_ {i} $ ist die Masse der Arten $ s $ , und $ T_ {s} $ ist die durchschnittliche Temperatur der Arten $ s $. In einem schwachen Plasma, wie es im IPM zu finden ist, wird häufig angenommen, dass $ \ gamma_ {e} $ = 1 (dh isotherm) und $ \ gamma_ {e} $ = 2 oder 3 oder $ \ gamma_ { e} $ = 1 und $ T_ {e} \ gg T_ {i} $. Die obige Form der Schallgeschwindigkeit ist als ionenakustische Schallgeschwindigkeit bekannt, da es sich um die Phasengeschwindigkeit handelt, mit der sich lineare ionenakustische Wellen ausbreiten. Somit ist $ C_ {s} $ eine legitime Art der Schallgeschwindigkeit im Raum.

Im IPM beträgt $ C_ {s} $ ~ 13 - 240 km / s [z. B. Refs. 12; 33; 34 ].

Geschwindigkeit der Magnetfelder

Der kryptische Titel entzieht sich der sogenannten Alfvén-Geschwindigkeit, die wie folgt definiert ist: $$ V_ {A} = \ frac { B_ {o}} {\ sqrt {\ mu_ {o} \ \ rho}} $$ wobei $ B_ {o} $ die Größe des quasistatischen Umgebungsmagnetfelds ist, $ \ mu_ {o} $ das Permeabilität des freien Raums und $ \ rho $ ist die Plasmamassendichte (die in etwa der Ionenmassendichte entspricht, es sei denn, es handelt sich um ein Paarplasma). Diese Geschwindigkeit ist normalerweise mit transversalen Alfvén-Wellen verbunden, aber die Geschwindigkeit ist für die Informationsübertragung in Plasmen relevant, weshalb ich sie hier aufgenommen habe.

Im IPM ist $ V_ {A. } $ ~ 4 - 220 km / s [z. 10; 12; 33; 34 ].

Geschwindigkeit magnetisierter Schallwellen

In einer magnetisierten Flüssigkeit wie einem Plasma gibt es Druckschwankungen, bei denen sie komprimieren das Magnetfeld in Phase mit der Dichte. Diese werden als magnetosonic oder Fast-Mode-Wellen bezeichnet. Die vollständige MHD -Definition der Phasengeschwindigkeit für eine Welle im schnellen Modus ist gegeben durch: $$ 2 \ V_ {f} ^ {2} = \ left (C_ {s} ^ {2} + V_ { A} ^ {2} \ rechts) + \ sqrt {\ links (C_ {s} ^ {2} + V_ {A} ^ {2} \ rechts) ^ {2} + 4 \ C_ {s} ^ {2 } \ V_ {A} ^ {2} \ \ sin ^ {2} {\ theta}} $$ wobei $ \ theta $ der Ausbreitungswinkel in Bezug auf $ \ mathbf {B} _ {o} $ ist. $ V_ {f} $ ist die relevante Geschwindigkeit für Stoßwellen in schwach kollisions- und kollisionsfreien Plasmen. Es ist auch eine Art Schallgeschwindigkeit, daher der Name magnetosonic.

Im IPM beträgt $ V_ {f} $ ~ 17 - 300 km / s [z. B. Refs. 10; 12; 33; 34 ].

Randnotiz
Es gibt auch eine langsame Modenwelle, die sich in der Polarisation und der relativen Phase dazwischen unterscheidet die magnetischen und Dichteschwankungen. Es wird als langsam bezeichnet, da es im selben Medium eine geringere Phasengeschwindigkeit als der schnelle Modus aufweist.

Wärmegeschwindigkeiten

Die letzten beiden relevanten Geschwindigkeiten sind die thermischen Geschwindigkeiten der Elektronen und Ionen. Die eindimensionale rms Geschwindigkeit ist gegeben durch: $$ V_ {Ts} ^ {rms} = \ sqrt {\ frac {k_ {B} \ T_ {s}} {m_ {s}}} $$ wobei die Definitionen dieselben sind wie in den vorherigen Abschnitten und $ s $ kann $ e $ (Elektronen) oder $ i $ (Ionen) sein. Im Allgemeinen verwenden wir die dreidimensionale wahrscheinlichste Geschwindigkeit , die gegeben ist durch: $$ V_ {Ts} ^ {mps} = \ sqrt {\ frac {2 \ k_ {B} \ T_ {s} } {m_ {s}}} $$

Im IPM wird das Elektron [z. 2; 3; 5; 7; 8; 14; 17-22; 24; 25; 27; 29-34] und Ion [z. 1-6; 8-11; 13; 15-17; 19; 20; 23; 26-32 ] Die thermischen Geschwindigkeiten betragen $ V_ {Te} ^ {mps} $ ~ 1020 - 5170 km / s bzw. $ V_ {Ti} ^ {mps} $ ~ 13 - 155 km / s.

Zusammenfassung

Es gibt verschiedene Arten von Schallgeschwindigkeiten im Raum, von denen jede ähnlich verwandte Phänomene hervorrufen kann. Zum Beispiel beziehen wir uns oft auf Mach-Nummern, die mit $ C_ {s} $, $ V_ {A} $ und $ V_ {f} $ verknüpft sind. Darüber hinaus gibt es mehrere Plasma-Instabilitäten, die sich aus einem ähnlichen Effekt wie Cerenkov-Strahlung ergeben, bei dem ein Partikelstrahl beispielsweise die thermische Geschwindigkeit der Elektronen überschreitet.

Zusammenfassend In den Regionen außerhalb der lokalen Magnetosphären, aber im Bereich des Einflusses unserer Sonne, gibt es einen weiten Bereich von Schallgeschwindigkeiten.

Update

Kürzlich wurde in Astrophys ein Artikel über die Statistik temperaturabhängiger Parameter in der Nähe der Erde im Sonnenwind veröffentlicht. J. Suppl. von Wilson et al. [2018] (es ist Open Access, also keine Paywall). Die Arbeit bietet neue Messungen, aber auch eine detaillierte Literaturübersicht / Referenzliste früherer Arbeiten.

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Sie müssen berücksichtigen, dass der Raum mit einem schwachen Plasma gefüllt ist, das sich etwas anders verhält als ein ideales Gas. Erstens tragen die Elektronen Schall mit einer anderen Geschwindigkeit als die schwereren Protonen, aber auch die Elektronen und Protonen werden über das elektrische Feld gekoppelt. Siehe: Schallgeschwindigkeit (im Schall) im Plasma

Die Schallgeschwindigkeit im Sonnenwind wird auf der Grundlage der Gleichung in der Antwort von Kieran auf etwa 58 km / s geschätzt Jagd. Die Temperatur des Sonnenwinds entspricht jedoch eher $ T = 1,2 \ mal 10 ^ 5K $ ( ref)

Angesichts der geringen Gasdichte wäre die Schallgeschwindigkeit eine direkte Funktion der Temperatur des Gases, dh der Geschwindigkeit der Moleküle / Atome. Da dies in der Nähe einiger Sterne zwischen etwa 2,7 K und Millionen Grad variiert, kann sich die Schallgeschwindigkeit erheblich ändern.

Die direkte Messung zeigt, dass die Geschwindigkeit 1100 m / s beträgt.

Das pfeilartige Schwerkraftfeld der ESA und der GOCE-Erdforscher (Ocean Circulation Explorer) umkreisten so nahe wie möglich an der Erde - nur 260 km hoch -, um die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Erdschwerkraftfelds zu maximieren.In dieser Höhe herrscht genügend Atmosphäre, um einen kleinen Widerstand auszuüben.Der Satellit hatte eine aerodynamische Form und einen kleinen Motor, um ihn in der Umlaufbahn zu halten.Die Mission endete, als der Motor keinen Kraftstoff mehr hatte.

Im Jahr 2011 verursachte das gewaltige Erdbeben in Tohoku 9.1 in der Atmosphäre atmosphärische Störungen.Diese lenkten den Satelliten ab.Dichteschwankungen wurden ebenfalls gemessen.Artikel und Video hier.