El espacio exterior, espacio vacío, espacio sidéreo, espacio sideral o simplemente espacio, se refiere a las regiones relativamente vacías del universo fuera de las atmósferas de los cuerpos celestes. Se usa «espacio exterior» para distinguirlo del espacio aéreo y las zonas terrestres. El espacio exterior no está completamente vacío de materia (es decir, no es un vacío perfecto), sino que contiene una baja densidad de partículas, predominantemente gas hidrógeno, así como radiación electromagnética.
Aunque se supone que el espacio exterior ocupa prácticamente todo el volumen del universo y durante mucho tiempo se consideró prácticamente vacío, o repleto de una sustancia denominada «éter», ahora se sabe que contiene la mayor parte de la materia del universo. Esta materia está formada por radiación electromagnética, partículas cósmicas, neutrinos (cuya masa es tan pequeña que viajan a velocidades cercanas a la de la luz), materia oscura (materia que compone casi el 90% de las galaxias, pero que no interactúa con la luz ni ha sido nunca observada)"Dark Energy, Dark Matter NASA Science: Astrophysics. y la energía oscura.
De hecho, cada uno de estos componentes contribuye en el universo al total de la materia, según estimaciones, en las siguientes proporciones aproximadas: 4,53% de elementos pesados, 0,5% de materia estelar, 0,3% de neutrinos, aproximadamente 25% de estrellas y aproximadamente 70% de energía oscura, lo que da un total de 100,33%, por lo que sobra un 0,33% sin estimar. La naturaleza física de estas últimas es aún apenas conocida. Solo se conocen algunas de sus propiedades por los efectos gravitatorios que imprimen en el período de revolución de las galaxias, por un lado, y en la expansión acelerada del Universo o inflación cósmica, por el otro.
Primeras observaciones Los antiguos filósofos griegos debatieron la existencia del vacío o de la nada. La teoría atomista (en la que destacaban Leucipo y Demócrito) sostenía la idea de una infinidad de átomos moviéndose en un vacío infinito. Por su parte, Platón era escéptico sobre la existencia del vacío. En su diálogo Timeo (58d), menciona que «existe un tipo más translúcido [que el aire] al que se le llama éter (αίθηρ)». Aristóteles, que había sido alumno de Platón, estaba de acuerdo en este punto con su mentor. En su libro Sobre el cielo introdujo un nuevo elemento en el sistema de los cuatro elementos clásicos. Este elemento estaba localizado en las regiones celestiales y en los cuerpos celestes y no tenía ninguna de las cualidades que poseían los elementos clásicos terrestres. No era ni caliente ni frío, ni húmedo ni seco. Con esta adición, el sistema de elementos se extendió a cinco, y más tarde los comentaristas comenzaron a referirse a él como la quinta esencia.
Los filósofos escolásticos medievales concedieron cambios de densidad del éter, en los que los cuerpos de los planetas eran considerados más densos que el medio que llenaba el resto del universo. En la China del siglo , el astrónomo Zhang Heng aseguró que el espacio es infinito y se extiende más allá del Sol y las estrellas.
Ya en el siglo , el filósofo francés René Descartes argumentaba que el espacio exterior debía estar ocupado completamente de materia. En el siglo , el teólogo alemán Nicolás de Cusa especuló que el universo no tenía centro ni circunferencia. El filósofo y teólogo italiano Giordano Bruno defendió el modelo heliocéntrico de Copérnico y afirmó que el universo era homogéneo, compuesto por los cuatro elementos. Además, se adhería a la teoría atomista. Galileo Galilei sabía que el aire tiene masa y que por lo tanto está sujeto a la gravedad. En el año 1640 demostró que una fuerza establecida se resiste a la formación de un espacio vacío. Para 1643 Torricelli creó un aparato para producir un vacío parcial; este descubrimiento dio lugar al primer barómetro de mercurio y en la época fue una sensación científica entre los europeos. El matemático Blaise Pascal estudió el barómetro y calculó detalles para conocer la presión del aire. En el año 1650 el científico alemán Otto von Guericke construyó la primera bomba de vacío, con la cual concluyó que la atmósfera rodea al planeta Tierra, donde la densidad baja gradualmente cuanto más altitud existe.
thumb|izquierda|Bomba de vacío de Otto von Guericke (arriba a la derecha). El concepto de que el espacio del universo está ocupado por el éter, continuó hasta el siglo ; la sustancia fue vista por mucho como el medio por el cual la luz se transporta en el espacio. Tras varias pruebas e investigaciones, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein reemplazó las ideas anteriores: esta teoría expone que la velocidad de la luz en el vacío es constante y no cambia según la ubicación del observador.
El astrónomo inglés Thomas Digges respaldó la teoría del universo infinito, a pesar de que por los años 1938 no existía una medida definida de su tamaño. Fue el astrónomo alemán Friedrich Bessel quien encontró que la estrella 61 Cygni se hallaba a 10 años luz de distancia de la Tierra. En 1923 Edwin Hubble calculó la distancia de la galaxia Andrómeda. El científico suizo Charles É. Guillaume hizo una medición estimada de la temperatura del universo, y la situó entre 5 y 6 K. Más adelante se efectuaron cálculos similares que arrojan 3.18 K y en el año 1933 el alemán Erich Regener definió una temperatura de 2.8 K basándose en la energía de los rayos cósmicos. El concepto moderno de espacio exterior se originó en la teoría del Big Bang, que propone que el universo fue creado a partir de una forma compacta muy densa, en la que la energía inicial ha ido decreciendo con el tiempo y perdiendo densidad.
Formación y estado thumb|right|Línea del tiempo de la evolución del universo. De acuerdo con la teoría del Big Bang, hace aproximadamente 13.8 mil millones de años el universo recién creado era de un estado de extremo calor y densidad, que se expandió rápidamente. Pasados 380 mil años, el universo se volvió lo suficientemente frío para permitir combinarse a los protones y electrones, fase conocida como época de recombinación. La materia y la energía se separaron, posibilitando a los fotones viajar libremente por el universo en expansión. La materia que quedó después de la expansión inicial sufrió un colapso gravitacional para crear estrellas, galaxias y objetos astronómicos, dejando un vacío conocido como espacio exterior.
La forma actual del universo se ha determinado a partir de mediciones de la radiación de fondo de microondas utilizando satélites como la sonda WMAP. Estas observaciones indican que la geometría espacial del universo observable es «plana», lo que significa que los fotones en trayectos paralelos en un punto permanecen paralelos mientras viajan a través del espacio hasta el límite del universo observable, a excepción de la gravedad local. El universo plano, combinado con la densidad de masa medida del universo y la expansión acelerada del universo, indica que el espacio tiene una energía de vacío distinta de cero, que se llama energía oscura.
Las estimaciones de la densidad de energía promedio del universo actual son de 5,9 protones por metro cúbico, en la que se incluyen la energía oscura, la materia oscura y la materia bariónica. Los átomos representan solo el 4,6 % de la densidad total de energía. Sin embargo, la densidad del universo no es uniforme, pues se pueden encontrar zonas de alta densidad en galaxias, planetas y agujeros negros, en contraste con una baja densidad en zonas con grandes vacíos.
Entorno thumb|right|El campo ultraprofundo del Hubble, cuya luz fue emitida hace 13000 millones de años. En el espacio exterior, las estrellas, planetas y otros cuerpos celestes no se someten a ninguna fricción, por lo que pueden moverse libremente en sus órbitas. Sin embargo, el supuesto vacío del espacio no lo es del todo, ya que contiene algunos átomos de hidrógeno por metro cúbico. La baja densidad de materia en el espacio sideral significa que la radiación electromagnética puede recorrer grandes distancias sin dispersarse: la trayectoria libre media de un fotón en el espacio es de aproximadamente 10^23 km o 10 billones de años luz.
Las estrellas, los planetas y otros objetos celestes retienen sus atmósferas por atracción gravitacional. Estas no tienen un límite superior definido: la densidad del gas atmosférico disminuye de forma gradual con la distancia hasta que se vuelve indistinguible del espacio exterior. La presión atmosférica de la Tierra cae a aproximadamente a 100 kilómetros de altitud.
La temperatura del espacio sidéreo se mide en términos de la actividad cinética del gas, como lo es en la Tierra. Sin embargo, la radiación del espacio exterior tiene una temperatura diferente a la temperatura cinética del gas, lo que significa que el gas y la radiación no están en equilibrio termodinámico. La temperatura del gas en el espacio exterior siempre es al menos la temperatura de la radiación de fondo de microondas, pero pueden ser mucho más altas. Por ejemplo, la corona del Sol alcanza temperaturas por encima de entre 1.2 y 2.6 millones de K.
A pesar del entorno hostil, existen varias formas de vida que pueden soportar condiciones espaciales extremas durante largos períodos. Las especies de líquenes usadas en la instalación BIOPAN de la ESA sobrevivieron a la exposición durante diez días en el año 2007. Las semillas de Arabidopsis thaliana y Nicotiana tabacum germinaron tras estar expuestas al espacio durante 1,5 años. Una cepa de Bacillus subtilis sobrevivió 559 días expuesta a una órbita terrestre baja o a un ambiente marciano simulado.
Exposición en humanos thumb|right|El traje espacial de los astronautas los protege de la presión y la radiación. El cuerpo humano es vulnerable a condiciones de altitud en la atmósfera terrestre. La altitud en la que la presión atmosférica coincide con la presión del vapor de agua se denomina línea de Armstrong, en honor al médico estadounidense Harry G. Armstrong. Se ubica a una altitud de 19.14 km. Por encima de la línea, se evaporan los fluidos en la garganta y los pulmones, la saliva y las lágrimas . Para protección y supervivencia se requiere un traje o cápsula presurizada.
Una vez en el espacio, la exposición repentina sin protección a muy baja presióna puede causar barotrauma pulmonar, una ruptura de los pulmones, a causa de la diferencia de presión entre el interior y el exterior del pecho. Una descompresión rápida puede romper los tímpanos y los senos paranasales; los hematomas y la filtración de sangre pueden ocurrir en los tejidos blandos y el choque puede causar un aumento en el consumo de oxígeno que causaría una hipoxia.
Como consecuencia de la descompresión rápida, el oxígeno disuelto en la sangre desemboca en los pulmones para tratar de igualar la presión parcial. Una vez que la sangre desoxigenada llega al cerebro, en varios segundos se pierde la conciencia y se muere de hipoxia tras varios minutos. La sangre y otros fluidos corporales hierven cuando la presión cae por debajo de 6.3 kPa, condición llamada ebullismo. El vapor puede hinchar el cuerpo al doble de su tamaño normal, pero el ebullismo se ve frenado por la contención de presión de los vasos sanguíneos, por lo que la sangre permanece líquida.
La hinchazón y el ebullismo se pueden reducir usando un traje de presión. El traje de protección de altura de la tripulación (CAPS en inglés) es una prenda elástica diseñada en 1960 para los astronautas, que evita el ebullismo a presiones de 2 kPa. Se necesita oxígeno suplementario a 8 km para respirar y evitar la pérdida de agua. La mayoría de los trajes espaciales usan alrededor de 30-39 kPa de oxígeno puro, similar a la cantidad en la superficie de la Tierra. Esta presión es suficiente para evitar el ebullismo, pero la evaporación del nitrógeno disuelto en la sangre puede causar la enfermedad de descompresión.