【宇宙科普】太空極冷,為何宇宙中的氣體能保持10萬度高溫?

天空之城 2020/10/30 檢舉 我要評論

在浩瀚的宇宙中有一些極熱和極冷的地方。恒星表面非常熱,太陽光球層溫度有5777K(開爾文),一些大型恒星表面的溫度大約有50000K,而那些明亮的類星體表面溫度甚至高達10萬億K。宇宙的另一些地方又極其寒冷,目前科學家探測到的一些星雲溫度只有1K(相當於-272.15℃),這已經接近了溫度的最下限。

銀河系中一些稠密星雲溫度極低

許多人都覺得茫茫宇宙是極冷的地方,如果你離恒星遠,就不會感覺到溫暖。一個典型的例子就是冥王星,由於與太陽的距離比地球遠40倍,它的表面平均溫度只有-223℃(50K),是一顆不折不扣的冰凍星球。

太空中不只有恒星、黑洞、行星和大大小小的石塊,還有許多灰塵和氣體。理論上的絕對真空並不存在,實際上星際空間到處都是各種氣體分子或原子,它們被稱為星際介質,只是相對於地面而言它們太過於稀薄,於是在很多時候我們都視而不見罷了。

我們能看見的星空只是宇宙的一小部分

在星際介質中,冷的分子雲只占不到5%,其餘的都是炙熱的氣體。這些氣體的密度很低,每10立方釐米空間大約只有不到2個粒子,但它們的溫度卻常常高達8000~10000K,而在星系周圍幾十萬光年的冠狀氣體區域更是充斥著10萬度高溫的熱電離粒子。

銀河系周圍充斥著高溫氣體

這些粒子是如何在太空中保持極高溫度的呢?

在星際空間裡,粒子之間的空隙很大,它們無法通過熱傳導來散發熱能,也不能形成熱對流,所以,星際介質的熱能都是通過向外輻射光子傳遞出去的。

宇宙中90%以上的物質是氫,星際介質也大多由氫原子分子狀態的氫氣構成。這些氫會被加熱,從而獲得極高的溫度,當溫度足夠高時,氫會變成等離子態。

宇宙蘊含著強大的能量,恒星和超新星爆炸會釋放大量宇宙射線,其中攜帶著幾兆電子伏特的低能宇宙射線在星際空間裡穿行,當撞擊氣體粒子時,它會將粒子電離並將能量傳遞給這些粒子。粒子獲得能量後迅速升溫,並向外釋放電子和光子。

宇宙射線持續加熱星際介質

光子同樣也可以被氣體粒子吸收。星光中含有高能γ射線、X射線和其它高能量的光子,這些光子可以是恒星發出的,也可能來自黑洞和類星體的噴射,還有可能來自於另一個氫原子電離後釋放出來的能量,所有這些能量都能加熱星雲中的粒子。

炙熱恒星發出的紫外線可以剝離塵埃和氣體粒子上的電子,當這些電子轟擊另一些粒子時,就能將它們的動能傳遞出去,從而加熱氣體粒子。

炙熱的星雲

說起銀河系,許多人都知道它是一個扁平形狀的螺旋星系。實際上當我們用X射線望遠鏡觀測銀河,就會發現在它核心的兩極有兩個向外擴散的巨大氣泡一直延伸到5萬光年遠的地方。這兩個氣泡裡氣體的溫度超過10萬開爾文,它是由銀河中心巨大黑洞噴射的γ射線和X射線持續加熱造成的熱電離冠狀氣體球。

銀河系兩極巨大氣泡溫度超過100000K

宇宙空間看似空曠,實際上充滿著各種氣體,這些氣體粒子不斷吸收光子能量,同時被宇宙射線加熱到極高的溫度,同時由於它們只能通過輻射光子來釋放能量,因此氣體粒子就像熱水瓶裡的開水一樣,在幾十億年漫長的時間裡保持著高溫。

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