紅卡小百科:從太陽發出的光線,到底能照射到多遠的地方?

2021-01-21 紅卡晨讀

     地球上得以產生形形色色的生命,最關鍵的因素就是地球和太陽之間的距離,正好處於適宜碳基生命存在的「宜居帶」,繼而奠定了適宜的溫度和液態水的形成基礎。經科學家計算,地球接收到的太陽輻射,僅佔據太陽向外輻射總能量的22億分之一,就是這幾乎可以忽略不計的佔比,造就了地球上的大千世界。

    

    而在太陽系外圍的一些行星,就沒有地球這種「待遇」了,由於距離的增加,接收到的太陽輻射強度逐漸減小,表面溫度不斷下降,從這些行星表面如果能夠觀察太陽的話,太陽越來越小、光線越來越不刺眼。那麼,既然太陽光的輻射強度,會隨著距離的增加而減小,那麼,太陽光到底能照射到多遠的地方呢?

    關於太陽是怎麼來的問題,相信大家都非常清楚了,簡單地說就是在上一任大質量恆星在發生超新星爆發之後,所釋放出來的眾多星際物質,在漫長的歲月裡,依靠引力擾動等內外作用,使星際物質慢慢聚集並圍繞核心開始旋轉,當吸聚的物質規模達到一定程度以後,內核的高溫高壓環境,推動量子隧穿效應機率的增加,從而激發了氫核聚變的鏈式反應序幕,4個氫原子聚合成1個氦原子,並釋放出伽馬射線、中微子和一定能量。    其中,不得不說上述歷程中釋放出的伽馬射線,它的載體是光子,光子由於靜止質量為0,所以一經產生,其運動速度就到了光速。可是,由於這些核聚變反應是在太陽的內核區完成的,那裡的溫度和壓力高得離譜,物質密度極高,主要是由一些自由原子和電子構成的等離子態環境。光子形成以後,由於攜帶的能量很高,便會在極短極短的時間內被周圍的物質所阻擋、碰撞或者吸收。    被吸收的能量此時會轉移到等離子體物質中,然後重新激發出新的光子,每經過一輪的這種吸收、釋放的過程,光子所攜帶的能量都要比原先要減少一些。光子在太陽內部的運動過程,可以用「無頭蒼蠅」一樣,來回亂撞,一般都需要經過幾萬年十幾萬年才能「捱到」太陽的表層。    不同經歷的光子,最後所攜帶的能量都會有所不同,因此,從太陽表層所發出的光線,既包含著能量很高的伽馬射線(非常幸運的光子,被吸收的次數很少),也包含著能量很低的無線電波(能量幾乎全部在太陽內部消耗完了),共同形成了由不同波段(頻率)所組成的複合太陽光線。    太陽50億歲的年齡,與宇宙的年齡相比,還顯得非常「年輕」。在19世紀20年代,美國科學家哈勃通過太空望遠鏡,觀測到一個很有意思的現象,那就是來自遙遠星系所發出的光譜,有明顯的向紅端移動的情況,依據克卜勒定律,表明被觀測目標與觀測者之間的距離正在被拉大。在此基礎上,啥勃提出了一個定律(哈勃定律),即目標星系退行地球的速度,和它與地球之間的距離成正比關係,這個線性正比常數後來被命名為哈勃常數。    2013年,歐洲航天局利用普朗克衛星,通過精密測量得出的哈勃常數值為67.8(km/s)/百萬秒差距,代表著距離地球326萬光年的星體,其相對於地球的退行速度為每秒67.8公裡。    哈勃提出的宇宙膨脹猜想,後來科學家們通過大量的觀測和研究結論,均加以了證實。而且,科學家們還利用宇宙膨脹事實進行反推,同時結合宇宙微波背景輻射的相關觀測情況,提出現有宇宙是在138億年前,通過一個體積無限小、質量無限大的「奇點」爆炸而來。    在爆炸之後的一個普朗克時間內,就以極其巨大的能量推動了宇宙空間的膨脹,20分鐘後幾乎達到現有宇宙的空間級別,在大爆炸38萬年之後,隨著空間溫度的下降,宇宙中第一批自由原子才開始形成,逐漸形在了宇宙星雲團,光線才從此前的一片「等離子粥」混沌狀態逃離出去,「光子退耦」的產生,使得宇宙中第一縷光線正式向外釋放出去。    光線作為一種電磁波,在真空中的傳播速度即是光速,而且會一直以這個速度向遠方傳遞。只有受到星際物質的阻擋,比如星際氣體、塵埃、星體等,都會吸收一部分光線的能量,有些光線因此而發生了衰減,有些光線則會完全消失,其中的能量轉化為吸收物體的內能。但是,宇宙中物質的密度太低了,在絕大多數區域每立方米的空間,僅包含著不到10個氫原子,在這樣的宇宙環境中,光線在傳播時,雖然能量會有所衰減,但是仍然會支撐著傳遞到很遠的地方。    目前,科學家們用電磁波的方式所能觀測到的遙遠星系,普遍都是在130億光年以內,如果距離再遠,那就只能射電望遠鏡了,再增加距離的話,光線的衰減已經完全融入到宇宙微波背景輻射裡了,再用電磁波探測的方式已經無能為力,只能寄希望於引力波進行探測了。因為在奇點大爆炸理論中,在奇點發生大爆炸的一個普朗克時間內,引力就已經率先分離出去了,通過應用引力波探測的方法,可以窺探出更加遙遠的空間,也就代表著更加接近宇宙誕生時的「聲音」。
    從我們目前所能探測到的恆星光線最遠距離,我們差不多可以推測太陽光能夠傳播到136億光年外(目前太陽壽命46億年,理論上太陽光線現在只傳播到46億光年處)。而通過哈勃常數進行推算,在距離太陽144億光年處,宇宙膨脹的速度就會與光線的傳播速度相同。所以,現在距離太陽超過144億光年的區域,永遠也接收不到來自太陽的光線了。


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