一位天體物理學家揭示了空間的真正構成

當您想到太空時，您會想到什么？想象一下，一個朋友吹噓他們最近參觀了一座寬敞的建筑、體育場或博物館。您認為這座建筑是巨大而廣闊的嗎？它只是非常大，還是看起來空無一物？

spacious 這個詞并不一定意味著空的。它只是表示有足夠的空間在其中的物體周圍移動。同樣，外太空也不是完全空的。它很大，而且永遠在擴大，但里面有很多東西。

小時候，我經常想一些問題，比如云有多遠，地球之外有什么，以及太空有多廣闊。這種好奇心促使我攻讀天文學碩士和博士學位。二十年來，我一直在教授這些概念物理教學教授在德克薩斯大學阿靈頓分校。

太空從哪里開始？

地球被不同層次的各種氣體包圍。在海平面，地球的大氣層包含每立方厘米約 1000 億個分子。隨著我們的上升，大氣層變得越來越稀薄。

在大約 50 到 62 英里（80 到 100 公里）的高度，沒有足夠的空氣用于飛機飛行.這個將地球大氣層與外太空分開的邊界是稱為 Kármán 線，以匈牙利裔美國工程師和物理學家的名字命名Theodore von Kármán.卡門線以上的一切都稱為空間。

空間的密度可以變化，但平均而言，它只有每立方厘米 1 個原子左右。試想一下 - 一個骰子大小的地球大氣立方體包含數十億個空氣顆粒。但在太空中，相同大小的立方體只包含一個或兩個粒子。

星際介質和輻射

太空或外太空是一個巨大的、近乎完美的真空，基本上沒有物質.與地球大氣層相比，這種真空包含的顆粒非常少。然而，它并非完全空。

太空中點綴著散落的物質稱為星際介質，其中包括氫原子和氦原子。這些是太空中最常見的元素，它們以帶電和中性形式存在。星際介質也包含宇宙塵埃– 散布在整個太空中的各種元素的微小顆粒，包括碳和硅。

高能粒子稱為宇宙射線 – 它們是主要是質子和原子核– 以接近光速穿越太空。宇宙射線來自各種恒星，包括我們的太陽，以及來自超新星、材質掉進黑洞,星系碰撞和更多。

太空中充滿了各種形式的輻射，包括宇宙微波背景輻射.這是來自宇宙起源的殘余熱量。高能宇宙事件，如超新星和黑洞也發射 X 射線和伽馬射線.

磁場由恒星、行星和許多其他天體產生的天體也滲透到太空中。這些場通過像磁鐵一樣吸引或排斥帶電粒子來影響帶電粒子的運動。

暗物質和暗能量

科學家預測尚未看見的物質形式不發光或不能量的稱為暗物質，占宇宙質量的很大一部分。研究人員猜測它存在，因為他們可以看到它對其他可見物質的引力。

同樣，科學家預測一種神秘的能量形式稱為暗能量正在推動宇宙的加速膨脹。與暗物質,暗能量與物質或引力無關，但它是空間本身的一種屬性。

把宇宙想象成一個氣球。暗物質就像氣球的材料，影響它的形狀，而暗能量就像被泵入其中的空氣。它不會更改氣球的材質，但會影響氣球的膨脹速度。

空間會扭曲嗎？重力可以彎曲空間嗎？

空間也會扭曲。想象一下，那個空間就像一個大而有彈性的蹦床。如果你把一個沉重的球，比如保齡球，放在蹦床的中間，它會向下傾斜很大。這種下降類似于太空圍繞大物體（如行星或恒星）的扭曲方式。球越大，重力越強，下沉越深。

如果您在蹦床上滾動較小的彈珠，保齡球位于其中心，則彈珠可能會開始繞過保齡球重力造成的凹陷。彈珠沿著下降的曲線，就像行星沿著太陽周圍的空間曲線一樣。

想象一下，你用手電筒照在蹦床上。如果光線靠近保齡球產生的凹陷，它在行進時可能會稍微彎曲。這就像光在經過太空中非常大的物體（例如星系）時如何彎曲。

想想黑洞，它具有巨大的重力，作為蹦床中更大、更深的傾斜。如果你把彈珠滾得離這個超深的浸入太近，它就會掉進去然后消失，就像東西被拉進黑洞在太空中，無法逃脫。

因此，空間可以在具有大量重力的大型物體周圍扭曲或彎曲，就像當你將沉重的球放在蹦床上時，蹦床會彎曲一樣。

空間不僅僅是空虛。它包含粒子、輻射、磁場以及物質和能量的神秘形式。將太空想象成一個 3D 游樂場，其中存在恒星、行星、星云和星系等物體，共同構成了我們迷人而復雜的宇宙。

Nilakshi Veerabathina， 物理教學教授，德克薩斯大學阿靈頓分校

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