走進外太空，了解外太空，從五件怪事開始

圖解：帶有藍色的線條和白色的邊界的地球正在被橙色的氣泡沖擊——超音速沖擊是發(fā)生在外太空的5件怪事之一。圖源：NASA.

最初發(fā)布于2021年12月9日，作者是馬里蘭州格林貝爾特美國宇航局戈達德太空飛行中心的瑪拉 · 約翰遜—格羅。

外太空發(fā)生的五件怪事

太空的奇怪之處對于火箭科學家來說很是常見，但是對于我們而言是很讓人驚訝的?？臻g被看不見并且不可感知的電磁力支配，它還充滿了我們在地球上從未見過的奇異物質(zhì)。這里有五個幾乎只會發(fā)生在外太空的神秘事件。

等離子體的狀態(tài)

在地球上，物質(zhì)通常有三種狀態(tài): 固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。但是在太空中，99.9% 的正常物質(zhì)是一種完全不同的形式: 等離子體。這種物質(zhì)由松散的離子和電子組成，當物質(zhì)被加熱到極高的溫度或者被強大的電流所覆蓋時，就會處于一種超越氣體的增壓狀態(tài)。

盡管我們很少與等離子體接觸，但我們一直都能看到它。夜空中的所有星星，包括太陽，幾乎都是由等離子體構成的。它甚至偶爾以閃電和霓虹燈的形式出現(xiàn)在地球上。

與氣體相比，在等離子體中，單個粒子混亂地放大，可以像團隊一樣集體行動。它既能導電，又受到電磁場的影響，而電磁場的作用力與冰箱上的磁鐵的力是一樣的。這些磁場可以控制等離子體中帶電粒子的運動并且產(chǎn)生波動，使粒子加速到極高的速度。

太空中充滿了這種無形的磁場，而它們塑造了等離子體的路徑。在地球周圍，同樣的磁場使羅盤指向北方，同時也引導等離子體穿過我們星球周圍的空間。在太陽上，磁場發(fā)射太陽耀斑和太陽風——直接噴發(fā)的等離子體，穿越太陽系。當太陽風到達時，它可以促進具有高能量的過程的發(fā)生，比如極光和空間天氣——一些如果足夠強大就可以破壞衛(wèi)星和電信的現(xiàn)象。

圖解：太陽被紅色的圓圈和從圓圈中爆發(fā)出來的白橙色射線擋住了。美國國家航空航天局ESA計劃的 soho 任務捕捉到了這張日冕物質(zhì)噴射，太陽表面的等離子體大量噴發(fā)。圖源：ESA/ NASA/ SOHO

極端溫度

從西伯利亞到撒哈拉沙漠，地球經(jīng)歷了跨度極大的溫度變化。記錄中存在過高達134華氏度的時代，也存在著-129華氏度的時期 （從57攝氏度到-89攝氏度）。但我們認為在地球上的極端值就是在太空中的溫度平均值。在沒有絕緣大氣層的行星上，在晝夜之間，溫度產(chǎn)生劇烈的波動。水銀經(jīng)常會在白天達到840華氏度（449攝氏度） ，而在寒冷的夜晚則會達到-275華氏度（-171攝氏度）。在太空之中，一些航天器在向陽面和陰暗面之間會經(jīng)歷60華氏度（33攝氏度）的溫差。那就像在炎熱的夏天，在樹蔭下結冰一樣！美國國家航空航天局的帕克太陽探測器，在最接近太陽時，會經(jīng)歷超過2000度的溫差。

美國國家航空航天局送入太空的衛(wèi)星和儀器都經(jīng)過精心設計來抵御這些極端天氣，其太陽動力學天文臺大部分時間會暴露在陽光的直射下，但每年有幾次，它的軌道會進入地球的陰影中。在這次宇宙中的相遇期間——日食，面向太陽的太陽能電池板的溫度下降了317華氏度（158攝氏度）。然而，機載加熱器只允許溫度下降半度，以保證電子設備和儀器的安全。

同樣，工程師們制造的宇航服可以承受從-250華氏度到250華氏度（- 157攝氏度到121攝氏度）的溫度變化。宇航服是白色的，用來在陽光下可以反射光線，同時宇航服內(nèi)部的加熱器在黑暗中為宇航員保證溫暖。這種設計還能提供穩(wěn)定的壓力和氧氣，并能抵抗微小隕石和太陽紫外線輻射的破壞

圖解：美國宇航局的帕克太陽探測器經(jīng)過太陽附近時的動畫。當帕克繞著太陽旋轉(zhuǎn)時，對溫度敏感的儀器會在4.5英寸厚的碳復合材料防護罩后，承受接近2500華氏度（1371攝氏度）的溫度。在防護罩的陰影下，儀器的其余部分會保持接近室溫。圖源：NASA，戈達德太空飛行中心/科學可視化工作室。

宇宙的煉金術

現(xiàn)在，太陽正在其核心中將氫壓縮成氦。在巨大的壓力和溫度下融入原子并形成新元素的過程正在進行。

當宇宙誕生時，它包含大部分的氫和氦，以及少量其他輕元素。恒星和超新星的聚變已經(jīng)為宇宙提供了80多種元素，其中一些使生命成為可能。

太陽和其他恒星是極好的聚變的機器。太陽每一秒鐘聚合大約6億公噸的氫：這相當于胡夫金字塔質(zhì)量的102倍！

隨著新元素的產(chǎn)生，聚變釋放出巨大的能量和稱為光子的光粒子。從太陽核心到達太陽的可見表面，這些光子需要25萬年才能走多達43.4萬英里（大約70萬公里）。之后要是穿越9300萬英里（1.5億公里）到達地球，光線只需8分鐘就可以做到。

20世紀30年代，在實驗室中，科學家們首次證明了裂變，也就是相反的核反應——將重元素分解成更小元素，并且，現(xiàn)在核電站中使用的正是這種反應。裂變時釋放的能量可以引起災難性的爆炸。但對于已經(jīng)確了定的質(zhì)量來說，它仍然比聚變產(chǎn)生的能量少幾倍。然而，科學家們還沒有找到控制等離子體從而從核聚變反應中產(chǎn)生能量的方法。

圖解：兩個白熱化的圓盤旋轉(zhuǎn)合并。在核聚變過程中，巨大的壓力和溫度把輕元素擠壓在一起成為形成新的重元素。圖源：NASA，戈達德太空飛行中心/CILab。

磁爆炸

每天，地球周圍的空間都伴隨著巨大的爆炸。當太陽風，即來自太陽的帶電粒子流，擠壓著環(huán)繞并保護地球的磁場環(huán)境——磁層——它纏繞著太陽和地球的磁場。最終，磁力線斷裂并重新排列并射出附近的帶電粒子。這個爆炸事件是磁的重新連接。

雖然我們?nèi)庋劭床坏酱诺闹匦逻B接，但我們可以看到它的影響。偶爾，一些受到擾動的粒子會涌入地球的大氣層上層，而在那里它們會產(chǎn)生極光。

磁的重新連接會在宇宙中的任何旋轉(zhuǎn)的磁場中發(fā)生。美國宇航局的任務，比如磁層多尺度任務，即測量地球周圍的重連事件，有助于科學家了解更難研究的磁的重新連接，比如在黑洞周圍和其他恒星周圍的區(qū)域中的太陽耀斑。

圖解：地球周圍有磁場線，而爆炸會被磁場線反彈。劇烈而不可見的爆炸不斷在地球周圍的空間中發(fā)生。這些爆炸是扭曲的磁力線折斷并重新排列的結果，在太空中射出粒子。圖源：NASA，戈達德太空飛行中心/CILab。

超音速沖擊

在地球上，傳遞能量的簡單方法，就是推動這個物體。這經(jīng)常發(fā)生在碰撞中，比如風使樹木搖擺。但是在外太空，粒子可以不通過接觸來傳遞能量。這種奇怪的轉(zhuǎn)移發(fā)生在被稱為沖擊的不可見結構中。

在沖擊中，能量通過等離子體波、電場和磁場傳遞。讓我們把粒子想象成鳥兒一起飛翔：如果順風推動鳥兒前進，盡管看起來并沒有什么東西在推動它們前進，它們也會飛得更快。粒子在突然遇到磁場時也有同樣的現(xiàn)象：磁場可以給它們一個向前的推力。

當物體以超音速運動，也就是速度比音速還快時，就會產(chǎn)生沖擊波。如果超音速氣流遇到了靜止的物體，就會形成弓形激波，就像停泊在急流中的船產(chǎn)生的弓形波一樣。同時，當太陽風撞擊地球磁場時，就會產(chǎn)生弓形激波。

沖擊也會在太空的其他地方出現(xiàn)，比如在噴射等離子云的活躍超新星周圍。少數(shù)情況下，地球會出現(xiàn)短暫震蕩，比如子彈和飛機的飛行速度超過了音速。

這五種奇怪的現(xiàn)象在太空中都很常見。雖然有些可以在實驗室的特殊環(huán)境下再現(xiàn)，但是在地球上的正常環(huán)境下是不會出現(xiàn)的。美國國家航空航天局在太空中研究這些奇怪的現(xiàn)象，這樣科學家們就可以研究它們的性質(zhì)，也為我們了解宇宙運行機制的復雜物理學提供支持。

小結: 在外太空的五件怪事: 等離子體的狀態(tài)，極端溫度，宇宙的煉金術，磁爆炸和超音速沖擊。

1、太陽風：指從太陽上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流。在不是太陽的情況下，這種帶電粒子流也常稱為“恒星風”。太陽風是一種連續(xù)存在，來自太陽并以200-800km/s的速度運動的高速帶電粒

2、耀斑：一種最劇烈的太陽活動。周期約為11年。一般認為發(fā)生在色球?qū)又?，所以也?#34;色球爆發(fā)"。其主要觀測特征是，日面上(常在黑子群上空)突然出現(xiàn)迅速發(fā)展的亮斑閃耀，其壽命僅在幾分鐘到幾十分鐘之間，亮度上升迅速，下降較慢。特別是在耀斑出現(xiàn)頻繁且強度變強的時候。

3、空間天氣：太陽上出現(xiàn)的耀斑和日冕物質(zhì)的拋射等劇烈活動，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛(wèi)星運行和安全，以及人類健康，帶來嚴重影響和危害，人們把這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣。

4、超新星：指恒星演化過程中的一個階段。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸度極其明亮，過程中所突發(fā)電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個星系，并可持續(xù)幾周至幾個月（一般最多是兩個月）才會逐漸衰減變?yōu)椴豢梢姟Ｔ谶@段期間內(nèi)一顆超新星所輻射的能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相媲美。

5、磁層：地球上1 000km到大氣頂界之間的稀薄電離氣體層。層內(nèi)電子和離子的運動受地球磁場支配。

BY: Earthsky

FY: Lyra

如有相關內(nèi)容侵權，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權，并注意保持完整性和注明出處