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非空虛:什麽是行星際空間以及它充滿了什麽

2024-04-25科學

什麽是行星際空間?裏面裝的是什麽?一般讀者會立即想象出一個絕對黑暗的虛空,行星、彗星、小行星和太陽系的其他天體在其中飛行。其實這不是真的。

如果我們對這個術語制定一個純粹的科學定義,那麽行星際空間就是太陽和距離太陽最遠的行星(即海王星)之間的空間。它的「下邊界」通常被認為是外太空的常規邊界,其起始於距地球表面100公裏的高度。它不是完全空的,也不是絕對真空:這個空間充滿了大量不同的粒子,包括氫和氦的中性原子、氫和氦的等離子體(所謂太陽風的主要成分) 、各種電磁輻射、磁場、微中子、各種行星際塵埃粒子、卵石、流星體、宇宙射線。

但實作這種星際空間想法的道路相當困難。古希臘哲學家巴門尼德否認空性的存在,亞里士多德則寫道宇宙不是空的。然後,同一位亞里士多德提出了以太學說,以太充滿了外太空,天體在以太中不受阻礙地運動。中世紀科學幾乎沒有任何改變地繼承了古代的思想:特別是佐丹奴·布魯諾和尼古拉斯·哥白尼,以及許多其他當代天文學家,都相信宇宙充滿了「宇宙以太」。類似的想法幾乎一直存在於科學界,直到19世紀末,只有邁克爾遜-莫立實驗令人信服的結果徹底駁斥了這一理論,為現代觀點開辟了道路。

如果說人類對行星際環境的直接研究,那麽這樣的機會直到20世紀下半葉才出現。隨著第一顆人造衛星的發射,人們開始積極研究,首先是近地空間,然後是行星際空間。對於此類研究,幾乎只使用自動器材。這並不奇怪,因為行星際空間是一個非常不利於生命生存的環境——人在其中會受到真空和放射性輻射的危險影響。其中一些器材(先鋒 10 號和 11 號、航海家 1 號和 2 號)已經離開了太陽系。

行星際空間的主要「填充物」是太陽風——來自太陽的等離子體流,幾乎充滿了整個日光層。它的成分包括電子、質子、被磁場捕獲的離子,這些離子是由於與輻射相互作用而形成的。太陽風的亂流度很高,其效果也很不均勻。

行星際空間嚴重影響位於其中的天體以及其中發生的過程。由於太陽活動,它具有復雜的結構。在色球耀斑期間,電離氣體、等離子體、X射線和紫外線輻射流以及各種長度的無線電波飛入太空。隨著距太陽距離的增加,太陽風的強度減弱,質子通量減弱,但它們的速度保持恒定。它們與太陽系行星和小天體的相互作用會影響它們的磁場和等離子體外層的狀態。這種效應的性質直接取決於這些天體的特性(特別是磁場的存在),並且它也會隨著距太陽的距離而減弱。

地球磁場保護我們免受太陽風的大部份有害影響。與之相互作用的結果是磁暴——地球磁場的擾動。這種幹擾的一個明顯表現是極光。

行星際介質的特性非常特殊。它具有等離子體而不是常規氣體的特性。正因為如此,太陽在地球軌域上的磁場強度明顯大於計算的指標,也就是說,如果行星際空間是絕對真空,那麽隨著我們遠離恒星,該指標會減少得更快。

行星際環境還受到主要行星磁層的影響,特別是木星和土星。它們具有如此強大的磁場,以至於在足夠大的空間區域中它支配著太陽的磁場。這會擾亂太陽風,從而導致巨行星上出現極光。

如果行星際空間是真空,其中的溫度將等於宇宙微波背景輻射的溫度 - 2.7 克耳文,或 -270.45 °C。事實上,這個空間中粒子的加熱主要取決於它們與太陽的距離。例如,主小行星帶中塵埃顆粒的平均溫度範圍從內部區域的 200 K 到外部區域的 165 K。

行星際空間的另一類「群體」是行星際或宇宙塵埃,它是流星雨和流星雨(即每小時強度超過1000顆流星的流)的主要來源。到達地球表面的其顆粒稱為微隕石。它們的尺寸範圍從幾個分子到 0.2 微米,形狀從幾乎完美的球體到帶有尖角的多孔碎片不等。

根據各種估計,每天有 60 至 100 噸宇宙塵埃沈降在地球表面,相當於每年 2.5 至 4 萬噸,即平均每平方公裏 8.6 克。研究這些「微觀外星人」的最簡單方法是從南極洲和格陵蘭島的常年冰川中提取它們。透過研究它們在不同冰層中的濃度,可以追蹤行星際塵埃的數量與太陽活動以及明亮彗星的出現和其他因素之間的聯系。

沒有自己磁場的粒子(其中絕大多數位於行星際空間)會無情地暴露在太陽風和宇宙輻射中。由於高能粒子的強力轟擊,行星際塵埃本身就成為微弱輻射源。

塵埃占據了整個行星際空間,但分布極不均勻。它的主體位於日光層內部靠近太陽且靠近黃道面的位置。特別是小行星塵埃(小行星碰撞及其部份破壞的結果)、彗星塵埃(彗星核在穿過太陽系內部區域時噴射出的彗星活動的產物)、飛入太陽系內部區域的星際塵埃太陽系由於沿著星系運動而產生的影響,以及β流星體都是小粒子,太陽輻射的壓力與重力相媲美,因此它慢慢地將它們推出太陽的重力球。

行星際空間中的塵埃也發揮了作用,特別是,它會部份散射陽光並吸收熱輻射。據估計,太陽系中塵埃的總質素相當於一顆直徑約30公裏的小行星的質素。

行星際塵埃存在的一個明確證據是黃道光現象。在我們的緯度地區,可以在春季黃昏後和秋季黎明前觀察到它。這種現象的本質與太陽光從行星際空間(主要是地球和太陽之間)的大量塵埃顆粒表面的反射有關。

宇宙塵埃研究和分析使科學家能夠獲得有關太陽系形成和演化的資訊。它在恒星形成的早期階段也發揮著重要作用,並參與系外行星的形成。行星際塵埃粒子是木星、土星、天王星和海王星環的一部份;它們不斷地轟擊彗星核和小行星,逐漸摧毀它們,同時豐富它們的物質。

宇宙塵埃的一個獨特之處在於,它在地球大氣層的致密層中幾乎不會被破壞。大於一百微米的微隕石在進入高層大氣層時速度減慢,因此很難燃燒並完好無失真地落到地球表面,因此是研究太陽起源和初級性質的極其重要的來源系統。

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