太空極冷，為何宇宙中的氣體能保持10萬度高溫？

在浩瀚的宇宙中有一些極熱和極冷的地方。恆星表面非常熱，太陽光球層溫度有5777K（開爾文），一些大型恆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，如果你離恆星遠，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。

太空中不只有恆星、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，冷的分子雲只佔不到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？

我們都有這樣一個生活體驗：一杯熱水在炎炎盛夏裡冷卻的很慢，但在冬天很快就能變涼，而如果你在嚴寒中將開水撒向空中，它能瞬間化為冰晶。這是因為水與周邊環境的溫度差導致熱量散失得更快。

撒冰花，熱水迅速冷卻成冰晶

熱能通常以三種形式進行傳遞：熱傳導、熱對流和熱輻射。在寒冷的冬天，杯子裡開水的熱量通過傳導和對流傳遞到周圍的空氣分子，熱水與空氣分子間的溫度差越大，傳遞的速度就越快；而熱水的輻射能是通過光子向外發射的，無論是炎炎盛夏還是凜凜寒冬，熱水的熱輻射速度變化都不大。

如何讓開水的熱量慢一點流失？你一定想到了保溫瓶。它有一個很薄的真空內膽，可以將水與同周圍的空氣隔絕開來，這就截斷了熱傳導與熱對流的通道；真空內膽的壁上鍍了一層反光層，這個反光層可以將熱水釋放出來的光子大部分反射回去，於是熱水瓶可以長時間保溫。

熱水瓶的保溫原理

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，恆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，這些光子可以是恆星發出的，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。

炙熱恆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。