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旅行者号飞了185亿公里,发现宇宙物质越来越多,怎么回事?

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你好科普 2021-10-19 11:04

说起科技的进步和发展,就必然会说到宇宙的探索,对于宇宙的探索,其实很多人都不会有太多的了解。大多数人仅限于知道人类现在已经能够登陆月球,还能往火星上派送无人探测车给火星拍照

但相信很多人都不知道,人类制造的无人飞船已经飞离太阳系了(以海王星运行轨道为界),当然的一般人对太阳系的大小没有一个准确的认识,按照我们平时看到的太阳系模型,太阳系的边缘行星海王星与地球的距离似乎并不怎么远

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实际上,由于真实的太阳系比例太过夸张,打个比方,假设太阳是一个放在足球场中间的足球,而地球则是太阳旁边的一个小小的玻璃球,从这个玻璃球上,发射出一粒尘埃,经历漫长的距离和时间后,这个尘埃竟然被扔出到足球场之外了。

这本身是一件值得全世界人类庆贺的事情,因为这说明人类的宇宙探索能力再进一步了,但遗憾的是,在飞船在离开太阳系后,却发现宇宙外的太空物质数量越来越多

旅行者号是如何离开太阳系的?

但是科学家们会因为这个新发现感到失落,原因很简单,宇宙物质数量增加这个情况意味着人类探索星际空间的难度将会增加许多倍

计划飞出太阳系的飞船有好几艘,其中最为著名的就是旅行者一号和二号这两个孪生兄弟飞船,它们完美完成了系内行星近距离探索任务突破被太阳风包围的日球层

这两艘飞船都是上个世纪七十年代发射到宇宙中的,它们任务很简单,就是前往那些质量远超地球的行星进行近距离观察,同时借助行星的超强重力获得加速度,借助增加的速度往太阳系的更外围飞去

因为仅仅凭借火箭的推送能力,人类无法在地面就将飞船加速到足够摆脱太阳重力的程度,离开地球后,飞船也无法携带能源获得持续加速,我们可以将这两艘旅行者号飞船当成是被弹弓打出去的石子,离开地球后,就很难让它的速度增加

所以科学家们利用了质量庞大的木星土星等行星,将飞船瞄准了这些行星,直接将飞船发射到行星的引力范围中

最初的一站是木星,在接近木星后,飞船为木星拍照,使用携带的十数种高科技仪器,将木星的相关信息都收集起来,最早获得这些行星近距离照片的就是旅行者号,至今我们看到的木星照片还是它们拍的那些。

收集信息只是顺便的,在信息收集完毕后,飞船会收起仪器,使用自身携带的核能电池,调整飞船的方向,让飞船靠近引力巨大的行星,行星的引力让飞船加速坠落,获得这增加的速度后,飞船再次调整方向,往更远离太阳系的方向飞去

每一次靠近行星,都能让飞船的速度增加速度,所以正常情况下只要利用土星和木星的重力进行加速,就已经能达到第三宇宙速度16.7公里每秒

只有达到这个速度才能离开太阳重力的束缚,不然飞船将会像小行星一样,围绕太阳一圈一圈地飞行,最终坠入太阳

增加的宇宙物质

离开太阳的路程并不短,120天文单位,1天文单位等于太阳与地球之间的距离1.5亿公里,也就180亿公里,用光速走这段距离需要16.66小时,而飞船与地球之间的通讯就是使用光速的电磁波进行,所以飞船发射的信号需要十六个小时才能送达地球

当然两艘旅行者号飞船的速度都不可能达到光速,实际上它们的速度基本都是17公里每秒左右,与光速30万公里每秒相差一万多倍。换言之,两艘旅行者号需要用16.6小时的两万多倍时间才能到达太阳系边缘。

当然这只是飞船的走直线距离才能有的速度,飞船需要借助沿途行星加速,还要收集信息,因此两艘飞船实际上都用了四十多年才到达太阳系边缘。

脱离太阳系边缘后,科学家第一时间开启飞船的高科技探测仪器,经过四十多年的航行,飞越185亿公里,原本飞船带的十几个仪器都已经损坏一大半了,都只剩下四五个仪器可以使用,其中有一个最为重要的仪器——宇宙射线探测系统,这个系统为科学家们展现了一个真实的星际空间。

在我们平时的观念中,只要离开地球大气层就算是进入了太空之中,但实际上地球周围的宇宙空间并不是宇宙太空的正常状态

因为整个太阳系都被太阳风所包围着,太阳风并不是我们生活中感受到的那种空气流动产生的风,而是在太阳中心核聚变反应堆中发射出来的等离子体,这些等离子体实际又是由质子和电子组成的,太阳风以太阳为中心向外扩散,在宇宙中形成一个泡泡一样的太阳风环境

这个泡泡就是旅行者号要突破的日球层,正是因为有这个泡泡的存在,大量的宇宙射线被阻挡在太阳系之外。

所以在日球层之外的宇宙,才是真正的宇宙空间,在真实的宇宙空间中,存在着大量斑驳的宇宙射线和粒子,除此之外,在太阳系外的空间中,拥有质量的小分子密度大幅上升

这两个变化,让致力于太空探索的科学家们感到十分的失落和难受,因为这意味着宇宙中物质的密度并不小,起码比太阳系内部要大,在这样的密度中,想要往更深处的宇宙探索,难度将会骤增。

为何宇宙物质增加会影响探索难度?

曾经有一个段子,讲的是如果一滴水从万米高空落下,在重力的加速下,被砸中的人会不会受伤呢?

如果有人要拿起笔计算水滴的加速度,那么这道题就做错了,因为大家都淋过雨,万米高空落下的雨滴并没有任何威力

这是因为在水滴落下时,重力固然会为其一直提供加速度,但空气阻力其实也会为其减速,速度越快的物体受到的空气阻力就越大,当空气阻力与下落速度达到平衡时,物体的落下速度将不会继续增加。

质量越轻的物体获得的加速度就越小,往下的掉落的速度就越慢,所以雨滴不会砸伤人。

在宇宙中这个最基本的物理规则也同样能起作用。虽然在太空中没有空气,但是宇宙射线粒子和空间中的分子,我们可以将其看作是超级稀薄的空气

在正常情况下这些粒子和物质不会对我们有任何影响,就像我们生活在空气中也几乎不会感受到空气的阻力一样,但是当速度提升起来之后,这些宇宙物质就会开始作怪

在空气中想要将飞机加速到超音速都会产生出一个强大的空气音障。音速仅仅是数百米每秒而已,在宇宙中航行的飞船速度远超这个数字,比如旅行者号都是音速的数十倍。

宇宙的物质虽然增加了,星际空间也还是十分接近于真空,所谓的物质增加也不过是每立方米空间中增加了一两个原子了而已。所以只有十几公里每秒的速度也不会受到任何影响。但问题是,万分之一光速的速度在宇宙中几乎无法到达任何地方。

想要去往附近的星系,飞船最起码要达到百分之一光速的程度,也就是比旅行者号飞船的速度还要快一百多倍,当速度增加到这个程度后,星际空间中那稀疏的宇宙物质就会开始对飞船产生不良影响

我们知道,速度是相对的,飞船撞到原子其实也相当于原子撞向飞船,而即便是一粒微小的原子,被加速到近光速的程度后,也会产生巨大的能量

就像空气阻力只能对雨滴减速,但却能让陨石快速燃烧并完全烧化,所以宇宙物质与光速飞船的作用并不是减速,而是破坏

宇宙物质遇到低速的飞船是无害的,遇到高度行进的飞船时,飞船会迅速被击穿,微小原子有可能会产生原子核裂变,释放出巨大的能量

这个能量要么将飞船炸烂,要么将撞击到飞船物质的原子使其分裂,导致核裂变连锁反应,于是整个飞船就都成为了一颗核弹,在星际空间中形成一颗闪亮且短暂的小太阳。

简单来说,这些宇宙物质就是我们提升速度的最强禁锢,让我们探索宇宙的希望变得更加渺茫,毕竟以现在万分之一光速的速度前行,去往最近的比邻星都需要两三万年,这根本就是不可能到达的距离。

如何解决这个问题?

解决问题的办法其实并不是没有,只是现在的技术基本都不可能做到。在天空中飞翔的飞机,为了解决空气阻力的问题,使用了流线型造型坚固的钢铁外壳作为保障就能顺利翱翔于蓝天。

所以我们也可以沿着这个思路,制造一个能够抵御光速冲击的新物质,或者设计一个能完全避开这些微小颗粒的防护层,那么这些宇宙物质将不会再成为飞船加速的困扰

比如从原子层面组建出一个高强度的材料,大概就是纳米材料的超级进阶版,或者设计一个磁场发射器,将所有高能粒子和宇宙物质阻挡在外

除了这个解决办法,我们还可以考虑曲线救国的思路,要加速到光速,目的还是为了探索宇宙,到达遥远的天体而已,如果有别的办法直接前往这些天体,就不需要想办法加速还有解决宇宙物质对速度的限制了。

比如曲率加速飞船,通过扭曲空间的方式前进,实际上速度是零,但却能跨越遥远的空间。或者穿越虫洞,直接在空间中跳跃,速度和距离再也不成问题。

结语

现在的情况是,我们越探索宇宙越发现宇宙的浩瀚和广阔,宇宙探索的难度直线上升,但是只要人类还存在于宇宙一秒钟,就一定会想办法突破这些问题。

人类发展到现在的科技水平,也只是用了一万多年的时间,现代科技的出现和发展更是只有数百年的历史,在未来的遥远时光中,一切问题都有可能解决的。

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