如果是在完全真空的状态下，温度的概念是不存在的。温度反映的是粒子热运动的剧烈程度，没有任何东西的真空并没有温度的概念。
但在太空中，那里并非是完全不包含任何物质的真空，只是密度低至10^26千克/立方米，相当于每立方米空间中存在大约6个质子，所以在很多时候可以把太空近似认为是真空。但如果要讨论温度，遍布光子的太空是有温度的概念。
在宇宙中的各个地方，均匀地分布着宇宙中最为古老的光子，它们已经在太空中传播了大约138亿年的时间。在宇宙形成38万年后，光子开始与其他带电粒子脱耦，它们第一次可以自由地在空间中传播，那时的宇宙平均温度约为3000开氏度（开氏度=摄氏度+273.15）。经过大约12万年的时间，光子完全脱耦。
随着时间的推移，这些光子均匀地扩散到整个宇宙空间中。不过，宇宙空间在过去138亿年里一直在膨胀，甚至在大约40亿年前还开始加速膨胀，所以宇宙最早的光子会不断红移，波长变得越来越长。到了如今，这些光子已经成为了肉眼不可见的微波，只有通过射电望远镜才能探测到它们。
在现代宇宙学中，宇宙最早光子被称为宇宙微波背景辐射，这是宇宙大爆炸理论最有力的证据之一。迄今为止，与宇宙微波背景辐射有关的研究已经诞生了两个诺布尔物理学奖。
上图是美国宇航局（NASA）的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）经过9年的时间所绘制出的宇宙微波背景辐射全天图，图中显示宇宙的平均温度非常均匀。只有局部出现轻微的温度涨落，这代表的是未来会演化成星系的宇宙结构。
根据目前最精确的测量结果，宇宙微波背景辐射频谱与2.725开氏度的黑体辐射频谱刚好吻合，这意味着宇宙的平均温度为2.725开氏度，即零下270.425摄氏度，这就是太空的平均温度。
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