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非空虚:什么是行星际空间以及它充满了什么

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什么是行星际空间?里面装的是什么?一般读者会立即想象出一个绝对黑暗的虚空,行星、彗星、小行星和太阳系的其他天体在其中飞行。其实这不是真的。



如果我们对这个术语制定一个纯粹的科学定义,那么行星际空间就是太阳和距离太阳最远的行星(即海王星)之间的空间。它的“下边界”通常被认为是外层空间的常规边界,其起始于距地球表面100公里的高度。它不是完全空的,也不是绝对真空:这个空间充满了大量不同的粒子,包括氢和氦的中性原子、氢和氦的等离子体(所谓太阳风的主要成分) 、各种电磁辐射、磁场、中微子、各种行星际尘埃粒子、卵石、流星体、宇宙射线。

但实现这种星际空间想法的道路相当困难。古希腊哲学家巴门尼德否认空性的存在,亚里士多德则写道宇宙不是空的。然后,同一位亚里士多德提出了以太学说,以太充满了外太空,天体在以太中不受阻碍地运动。中世纪科学几乎没有任何改变地继承了古代的思想:特别是佐丹奴·布鲁诺和尼古拉斯·哥白尼,以及许多其他当代天文学家,都相信宇宙充满了“宇宙以太”。类似的想法几乎一直存在于科学界,直到19世纪末,只有迈克尔逊-莫雷实验令人信服的结果彻底驳斥了这一理论,为现代观点开辟了道路。



如果说人类对行星际环境的直接研究,那么这样的机会直到20世纪下半叶才出现。随着第一颗人造卫星的发射,人们开始积极研究,首先是近地空间,然后是行星际空间。对于此类研究,几乎只使用自动设备。这并不奇怪,因为行星际空间是一个非常不利于生命生存的环境——人在其中会受到真空和放射性辐射的危险影响。其中一些设备(先锋 10 号和 11 号、航海家 1 号和 2 号)已经离开了太阳系。

行星际空间的主要“填充物”是太阳风——来自太阳的等离子体流,几乎充满了整个日光层。它的成分包括电子、质子、被磁场捕获的离子,这些离子是由于与辐射相互作用而形成的。太阳风的湍流度很高,其效果也很不均匀。

行星际空间严重影响位于其中的天体以及其中发生的过程。由于太阳活动,它具有复杂的结构。在色球耀斑期间,电离气体、等离子体、X射线和紫外线辐射流以及各种长度的无线电波飞入太空。随着距太阳距离的增加,太阳风的强度减弱,质子通量减弱,但它们的速度保持恒定。它们与太阳系行星和小天体的相互作用会影响它们的磁场和等离子体外层的状态。这种效应的性质直接取决于这些天体的特性(特别是磁场的存在),并且它也会随着距太阳的距离而减弱。

地球磁场保护我们免受太阳风的大部分有害影响。与之相互作用的结果是磁暴——地球磁场的扰动。这种干扰的一个明显表现是极光。



行星际介质的特性非常特殊。它具有等离子体而不是常规气体的特性。正因为如此,太阳在地球轨道上的磁场强度明显大于计算的指标,也就是说,如果行星际空间是绝对真空,那么随着我们远离恒星,该指标会减少得更快。

行星际环境还受到主要行星磁层的影响,特别是木星和土星。它们具有如此强大的磁场,以至于在足够大的空间区域中它支配着太阳的磁场。这会扰乱太阳风,从而导致巨行星上出现极光。



如果行星际空间是真空,其中的温度将等于宇宙微波背景辐射的温度 - 2.7 开尔文,或 -270.45 °C。事实上,这个空间中粒子的加热主要取决于它们与太阳的距离。例如,主小行星带中尘埃颗粒的平均温度范围从内部区域的 200 K 到外部区域的 165 K。

行星际空间的另一类“群体”是行星际或宇宙尘埃,它是流星雨和流星雨(即每小时强度超过1000颗流星的流)的主要来源。到达地球表面的其颗粒称为微陨石。它们的尺寸范围从几个分子到 0.2 微米,形状从几乎完美的球体到带有尖角的多孔碎片不等。



根据各种估计,每天有 60 至 100 吨宇宙尘埃沉降在地球表面,相当于每年 2.5 至 4 万吨,即平均每平方公里 8.6 克。研究这些“微观外星人”的最简单方法是从南极洲和格陵兰岛的常年冰川中提取它们。通过研究它们在不同冰层中的浓度,可以追踪行星际尘埃的数量与太阳活动以及明亮彗星的出现和其他因素之间的联系。

没有自己磁场的粒子(其中绝大多数位于行星际空间)会无情地暴露在太阳风和宇宙辐射中。由于高能粒子的强力轰击,行星际尘埃本身就成为微弱辐射源。

尘埃占据了整个行星际空间,但分布极不均匀。它的主体位于日光层内部靠近太阳且靠近黄道面的位置。特别是小行星尘埃(小行星碰撞及其部分破坏的结果)、彗星尘埃(彗星核在穿过太阳系内部区域时喷射出的彗星活动的产物)、飞入太阳系内部区域的星际尘埃太阳系由于沿着星系运动而产生的影响,以及β流星体都是小粒子,太阳辐射的压力与引力相媲美,因此它慢慢地将它们推出太阳的引力球。

行星际空间中的尘埃也发挥了作用,特别是,它会部分散射阳光并吸收热辐射。据估计,太阳系中尘埃的总质量相当于一颗直径约30公里的小行星的质量。

行星际尘埃存在的一个明确证据是黄道光现象。在我们的纬度地区,可以在春季黄昏后和秋季黎明前观察到它。这种现象的本质与太阳光从行星际空间(主要是地球和太阳之间)的大量尘埃颗粒表面的反射有关。



宇宙尘埃研究和分析使科学家能够获得有关太阳系形成和演化的信息。它在恒星形成的早期阶段也发挥着重要作用,并参与系外行星的形成。行星际尘埃粒子是木星、土星、天王星和海王星环的一部分;它们不断地轰击彗星核和小行星,逐渐摧毁它们,同时丰富它们的物质。

宇宙尘埃的一个独特之处在于,它在地球大气层的致密层中几乎不会被破坏。大于一百微米的微陨石在进入高层大气层时速度减慢,因此很难燃烧并完好无损地落到地球表面,因此是研究太阳起源和初级性质的极其重要的来源系统。

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