外太空的五件怪事：他们是什么？为什么会发生？

走进外太空，了解外太空，从五件怪事开始

图解：带有蓝色的线条和白色的边界的地球正在被橙色的气泡冲击——超音速冲击是发生在外太空的5件怪事之一。图源：NASA.

最初发布于2021年12月9日，作者是马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德太空飞行中心的玛拉 · 约翰逊—格罗。

外太空发生的五件怪事

太空的奇怪之处对于火箭科学家来说很是常见，但是对于我们而言是很让人惊讶的。空间被看不见并且不可感知的电磁力支配，它还充满了我们在地球上从未见过的奇异物质。这里有五个几乎只会发生在外太空的神秘事件。

等离子体的状态

在地球上，物质通常有三种状态: 固态、液态和气态。但是在太空中，99.9% 的正常物质是一种完全不同的形式: 等离子体。这种物质由松散的离子和电子组成，当物质被加热到极高的温度或者被强大的电流所覆盖时，就会处于一种超越气体的增压状态。

尽管我们很少与等离子体接触，但我们一直都能看到它。夜空中的所有星星，包括太阳，几乎都是由等离子体构成的。它甚至偶尔以闪电和霓虹灯的形式出现在地球上。

与气体相比，在等离子体中，单个粒子混乱地放大，可以像团队一样集体行动。它既能导电，又受到电磁场的影响，而电磁场的作用力与冰箱上的磁铁的力是一样的。这些磁场可以控制等离子体中带电粒子的运动并且产生波动，使粒子加速到极高的速度。

太空中充满了这种无形的磁场，而它们塑造了等离子体的路径。在地球周围，同样的磁场使罗盘指向北方，同时也引导等离子体穿过我们星球周围的空间。在太阳上，磁场发射太阳耀斑和太阳风——直接喷发的等离子体，穿越太阳系。当太阳风到达时，它可以促进具有高能量的过程的发生，比如极光和空间天气——一些如果足够强大就可以破坏卫星和电信的现象。

图解：太阳被红色的圆圈和从圆圈中爆发出来的白橙色射线挡住了。美国国家航空航天局ESA计划的 soho 任务捕捉到了这张日冕物质喷射，太阳表面的等离子体大量喷发。图源：ESA/ NASA/ SOHO

极端温度

从西伯利亚到撒哈拉沙漠，地球经历了跨度极大的温度变化。记录中存在过高达134华氏度的时代，也存在着-129华氏度的时期 （从57摄氏度到-89摄氏度）。但我们认为在地球上的极端值就是在太空中的温度平均值。在没有绝缘大气层的行星上，在昼夜之间，温度产生剧烈的波动。水银经常会在白天达到840华氏度（449摄氏度） ，而在寒冷的夜晚则会达到-275华氏度（-171摄氏度）。在太空之中，一些航天器在向阳面和阴暗面之间会经历60华氏度（33摄氏度）的温差。那就像在炎热的夏天，在树荫下结冰一样！美国国家航空航天局的帕克太阳探测器，在最接近太阳时，会经历超过2000度的温差。

美国国家航空航天局送入太空的卫星和仪器都经过精心设计来抵御这些极端天气，其太阳动力学天文台大部分时间会暴露在阳光的直射下，但每年有几次，它的轨道会进入地球的阴影中。在这次宇宙中的相遇期间——日食，面向太阳的太阳能电池板的温度下降了317华氏度（158摄氏度）。然而，机载加热器只允许温度下降半度，以保证电子设备和仪器的安全。

同样，工程师们制造的宇航服可以承受从-250华氏度到250华氏度（- 157摄氏度到121摄氏度）的温度变化。宇航服是白色的，用来在阳光下可以反射光线，同时宇航服内部的加热器在黑暗中为宇航员保证温暖。这种设计还能提供稳定的压力和氧气，并能抵抗微小陨石和太阳紫外线辐射的破坏

图解：美国宇航局的帕克太阳探测器经过太阳附近时的动画。当帕克绕着太阳旋转时，对温度敏感的仪器会在4.5英寸厚的碳复合材料防护罩后，承受接近2500华氏度（1371摄氏度）的温度。在防护罩的阴影下，仪器的其余部分会保持接近室温。图源：NASA，戈达德太空飞行中心/科学可视化工作室。

宇宙的炼金术

现在，太阳正在其核心中将氢压缩成氦。在巨大的压力和温度下融入原子并形成新元素的过程正在进行。

当宇宙诞生时，它包含大部分的氢和氦，以及少量其他轻元素。恒星和超新星的聚变已经为宇宙提供了80多种元素，其中一些使生命成为可能。

太阳和其他恒星是极好的聚变的机器。太阳每一秒钟聚合大约6亿公吨的氢：这相当于胡夫金字塔质量的102倍！

随着新元素的产生，聚变释放出巨大的能量和称为光子的光粒子。从太阳核心到达太阳的可见表面，这些光子需要25万年才能走多达43.4万英里（大约70万公里）。之后要是穿越9300万英里（1.5亿公里）到达地球，光线只需8分钟就可以做到。

20世纪30年代，在实验室中，科学家们首次证明了裂变，也就是相反的核反应——将重元素分解成更小元素，并且，现在核电站中使用的正是这种反应。裂变时释放的能量可以引起灾难性的爆炸。但对于已经确了定的质量来说，它仍然比聚变产生的能量少几倍。然而，科学家们还没有找到控制等离子体从而从核聚变反应中产生能量的方法。

图解：两个白热化的圆盘旋转合并。在核聚变过程中，巨大的压力和温度把轻元素挤压在一起成为形成新的重元素。图源：NASA，戈达德太空飞行中心/CILab。

磁爆炸

每天，地球周围的空间都伴随着巨大的爆炸。当太阳风，即来自太阳的带电粒子流，挤压着环绕并保护地球的磁场环境——磁层——它缠绕着太阳和地球的磁场。最终，磁力线断裂并重新排列并射出附近的带电粒子。这个爆炸事件是磁的重新连接。

虽然我们肉眼看不到磁的重新连接，但我们可以看到它的影响。偶尔，一些受到扰动的粒子会涌入地球的大气层上层，而在那里它们会产生极光。

磁的重新连接会在宇宙中的任何旋转的磁场中发生。美国宇航局的任务，比如磁层多尺度任务，即测量地球周围的重连事件，有助于科学家了解更难研究的磁的重新连接，比如在黑洞周围和其他恒星周围的区域中的太阳耀斑。

图解：地球周围有磁场线，而爆炸会被磁场线反弹。剧烈而不可见的爆炸不断在地球周围的空间中发生。这些爆炸是扭曲的磁力线折断并重新排列的结果，在太空中射出粒子。图源：NASA，戈达德太空飞行中心/CILab。

超音速冲击

在地球上，传递能量的简单方法，就是推动这个物体。这经常发生在碰撞中，比如风使树木摇摆。但是在外太空，粒子可以不通过接触来传递能量。这种奇怪的转移发生在被称为冲击的不可见结构中。

在冲击中，能量通过等离子体波、电场和磁场传递。让我们把粒子想象成鸟儿一起飞翔：如果顺风推动鸟儿前进，尽管看起来并没有什么东西在推动它们前进，它们也会飞得更快。粒子在突然遇到磁场时也有同样的现象：磁场可以给它们一个向前的推力。

当物体以超音速运动，也就是速度比音速还快时，就会产生冲击波。如果超音速气流遇到了静止的物体，就会形成弓形激波，就像停泊在急流中的船产生的弓形波一样。同时，当太阳风撞击地球磁场时，就会产生弓形激波。

冲击也会在太空的其他地方出现，比如在喷射等离子云的活跃超新星周围。少数情况下，地球会出现短暂震荡，比如子弹和飞机的飞行速度超过了音速。

这五种奇怪的现象在太空中都很常见。虽然有些可以在实验室的特殊环境下再现，但是在地球上的正常环境下是不会出现的。美国国家航空航天局在太空中研究这些奇怪的现象，这样科学家们就可以研究它们的性质，也为我们了解宇宙运行机制的复杂物理学提供支持。

小结: 在外太空的五件怪事: 等离子体的状态，极端温度，宇宙的炼金术，磁爆炸和超音速冲击。

1、太阳风：指从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。在不是太阳的情况下，这种带电粒子流也常称为“恒星风”。太阳风是一种连续存在，来自太阳并以200-800km/s的速度运动的高速带电粒

2、耀斑：一种最剧烈的太阳活动。周期约为11年。一般认为发生在色球层中，所以也叫"色球爆发"。其主要观测特征是，日面上(常在黑子群上空)突然出现迅速发展的亮斑闪耀，其寿命仅在几分钟到几十分钟之间，亮度上升迅速，下降较慢。特别是在耀斑出现频繁且强度变强的时候。

3、空间天气：太阳上出现的耀斑和日冕物质的抛射等剧烈活动，给地球磁层，电离层和中高层大气，卫星运行和安全，以及人类健康，带来严重影响和危害，人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气。

4、超新星：指恒星演化过程中的一个阶段。超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸度极其明亮，过程中所突发电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周至几个月（一般最多是两个月）才会逐渐衰减变为不可见。在这段期间内一颗超新星所辐射的能量可以与太阳在其一生中辐射能量的总和相媲美。

5、磁层：地球上1 000km到大气顶界之间的稀薄电离气体层。层内电子和离子的运动受地球磁场支配。

BY: Earthsky

FY: Lyra

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