如果是在完全真空的狀態下，溫度的概念是不存在的。溫度反映的是粒子熱運動的劇烈程度，沒有任何東西的真空並沒有溫度的概念。
但在太空中，那裡並非是完全不包含任何物質的真空，只是密度低至10^26千克/立方米，相當於每立方米空間中存在大約6個質子，所以在很多時候可以把太空近似認為是真空。但如果要討論溫度，遍佈光子的太空是有溫度的概念。
在宇宙中的各個地方，均勻地分佈著宇宙中最為古老的光子，它們已經在太空中傳播了大約138億年的時間。在宇宙形成38萬年後，光子開始與其他帶電粒子脫耦，它們第一次可以自由地在空間中傳播，那時的宇宙平均溫度約為3000開氏度（開氏度=攝氏度+273.15）。經過大約12萬年的時間，光子完全脫耦。
隨著時間的推移，這些光子均勻地擴散到整個宇宙空間中。不過，宇宙空間在過去138億年裡一直在膨脹，甚至在大約40億年前還開始加速膨脹，所以宇宙最早的光子會不斷紅移，波長變得越來越長。到了如今，這些光子已經成為了肉眼不可見的微波，只有通過射電望遠鏡才能探測到它們。
在現代宇宙學中，宇宙最早光子被稱為宇宙微波背景輻射，這是宇宙大爆炸理論最有力的證據之一。迄今為止，與宇宙微波背景輻射有關的研究已經誕生了兩個諾布爾物理學獎。
上圖是美國宇航局（NASA）的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）經過9年的時間所繪製出的宇宙微波背景輻射全天圖，圖中顯示宇宙的平均溫度非常均勻。只有局部出現輕微的溫度漲落，這代表的是未來會演化成星系的宇宙結構。
根據目前最精確的測量結果，宇宙微波背景輻射頻譜與2.725開氏度的黑體輻射頻譜剛好吻合，這意味著宇宙的平均溫度為2.725開氏度，即零下270.425攝氏度，這就是太空的平均溫度。
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