یک اخترفیزیکدان فاش می کند که فضا در واقع از چه چیزی ساخته شده است

آیا ساختمان را به عنوان بزرگ و گسترده تصور می کنید؟ آیا به سادگی بسیار بزرگ است یا خالی به نظر می رسد؟

کلمه جادار لزوماً به معنای خالی نیست. این به سادگی نشان می دهد که فضای کافی برای حرکت در اطراف اشیاء داخل آن وجود دارد. به طور مشابه، فضای بیرونی کاملاً خالی نیست. گسترده است و برای همیشه در حال گسترش است، اما چیزهای زیادی در آن وجود دارد.

در کودکی درباره سوالاتی مانند دور بودن ابرها، آنچه فراتر از زمین قرار دارد و فضای وسیعی که وجود دارد فکر می کردم. این کنجکاوی باعث شد که در مقطع کارشناسی ارشد و دکتری ادامه دهم. مدرک نجوم من دو دهه است که به عنوان استاد آموزش فیزیک در دانشگاه تگزاس، آرلینگتون، در مورد این مفاهیم تدریس می کنم.

فضا از کجا شروع می شود؟

زمین توسط لایه های مختلفی از گازهای مختلف احاطه شده است. در سطح دریا، جو زمین حاوی حدود ۱۰۰ میلیارد مولکول در هر سانتی متر مکعب است. با بالا رفتن، جو نازک تر و نازک تر می شود.

در ارتفاع حدود ۵۰ تا ۶۲ مایلی (۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتری)، هوای کافی برای پرواز هواپیماها وجود ندارد. این مرز که جو زمین را از فضای بیرونی جدا می کند، خط کارمان نامیده می شود که به نام مهندس و فیزیکدان مجارستانی-آمریکایی تئودور فون کارمن نامگذاری شده است. هر چیزی که بالای خط کارمن قرار دارد، فضا نامیده می شود.

چگالی فضا می تواند متفاوت باشد، اما، به طور متوسط، تنها حدود ۱ اتم در سانتی متر مکعب است. فقط تصور کنید – یک مکعب به اندازه تاس از جو زمین حاوی میلیاردها ذره هوا است. اما در فضا، مکعب هم اندازه فقط یک یا دو ذره دارد.

محیط بین ستاره ای و تابش

فضا یا فضای بیرونی، خلاء وسیع و تقریباً کاملی است که عمدتاً فاقد ماده است. این خلاء در مقایسه با جو زمین دارای ذرات بسیار کمی است. با این حال، کاملاً خالی نیست.

فضا پر از ماده پراکنده ای به نام محیط بین ستاره ای است که شامل اتم های هیدروژن و هلیوم است. اینها رایج ترین عناصر در فضا هستند و به دو شکل باردار و خنثی وجود دارند. محیط بین ستاره ای همچنین حاوی غبار کیهانی است – ذرات ریز عناصر مختلف از جمله کربن و سیلیکون که در سراسر فضا پراکنده شده اند.

ذرات پرانرژی به نام پرتوهای کیهانی – که در درجه اول پروتون ها و هسته اتم ها هستند – تقریباً با سرعت نور در فضا حرکت می کنند. پرتوهای کیهانی از ستارگان مختلف از جمله خورشید ما، و همچنین از ابرنواخترها، مواد در حال سقوط به سیاهچاله ها، برخورد کهکشان ها و غیره می آیند.

فضا پر از اشکال مختلف تابش است، از جمله تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی. این گرمای باقیمانده از مبدأ جهان است. رویدادهای کیهانی پرانرژی مانند ابرنواخترها و سیاهچاله ها نیز پرتوهای ایکس و گاما ساطع می کنند.

فضا پر از اشکال مختلف تابش است، از جمله تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی. این گرمای باقیمانده از مبدأ جهان است. رویدادهای کیهانی پرانرژی مانند ابرنواخترها و سیاهچاله ها نیز پرتوهای ایکس و گاما ساطع می کنند.

میدان های مغناطیسی تولید شده توسط ستارگان، سیارات و بسیاری دیگر از اجرام آسمانی نیز در فضا نفوذ می کنند. این میدان ها با جذب یا دفع ذرات باردار مانند آهنربا بر حرکت ذرات باردار تأثیر می گذارند.

ماده تاریک و انرژی تاریک

دانشمندان پیش بینی می کنند که شکلی از ماده که هنوز دیده نشده است که نور یا انرژی ساطع نمی کند، به نام ماده تاریک، بخش قابل توجهی از جرم کیهان را تشکیل می دهد. محققان حدس می زنند که وجود دارد زیرا می توانند کشش گرانشی آن را روی سایر مواد مرئی ببینند.

به طور مشابه، دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که شکل مرموز انرژی به نام انرژی تاریک، انبساط شتاب‌زده جهان را هدایت می‌کند. برخلاف ماده تاریک، انرژی تاریک به ماده یا نیروهای گرانشی مربوط نمی شود، اما یکی از ویژگی های خود فضا است.

کیهان را مانند یک بالن تصور کنید. ماده تاریک مانند مواد بالون است که بر شکل آن تأثیر می گذارد، در حالی که انرژی تاریک مانند هوا است که به داخل آن پمپ می شود. این ماده بالون را تغییر نمی دهد، اما بر سرعت انبساط بالون تأثیر می گذارد.

آیا فضا منحرف می شود؟ آیا گرانش می تواند فضا را خم کند؟

فضا نیز می تواند منحرف شود. تصور کنید که فضا مانند یک ترامپولین بزرگ و کشیده است. اگر یک توپ سنگین مانند توپ بولینگ را در وسط ترامپولین قرار دهید، یک شیب بزرگ به سمت پایین ایجاد می کند. این شیب شبیه به چرخش فضا در اطراف چیزی بزرگ، مانند یک سیاره یا یک ستاره است. هر چه توپ بزرگتر باشد، گرانش قوی تر و شیب عمیق تر است.

اگر یک سنگ مرمر کوچک‌تر را روی ترامپولین بغل کنید و توپ بولینگ را در مرکز آن قرار دهید، ممکن است تیله‌ها شروع به دور زدن شیب ایجاد شده توسط گرانش توپ بولینگ کنند. سنگ مرمر به حرکت در شیب ادامه می‌دهد، درست مانند این که سیارات از منحنی فضای اطراف خورشید پیروی می‌کنند.

تصور کنید که چراغ قوه را روی ترامپولین می تابانید. اگر نور به شیب ایجاد شده توسط توپ بولینگ نزدیک شود، ممکن است در حین حرکت کمی خم شود. این مانند نحوه خم شدن نور هنگام عبور از نزدیکی یک جسم بسیار بزرگ در فضا است، مانند یک کهکشان.

سیاهچاله ای را که گرانش عظیمی دارد، به عنوان یک فرورفتگی حتی بزرگتر و عمیق تر در ترامپولین در نظر بگیرید. اگر یک سنگ مرمر را خیلی نزدیک به این شیب فوق‌العاده عمیق بغلتانید، به درون می‌افتد و ناپدید می‌شود، درست مانند اینکه چگونه اشیا می‌توانند به درون سیاهچاله‌ای در فضا کشیده شوند و نتوانند از آن فرار کنند.

بنابراین، فضا می تواند به دور چیزهای بزرگی که گرانش زیادی دارند، منحرف یا خم شود، درست مانند ترامپولین که وقتی توپ سنگینی روی آن می گذارید، خم می شود.

فضا چیزی فراتر از پوچی است. این شامل ترکیبی از ذرات، تشعشع، میدان های مغناطیسی و اشکال مرموز ماده و انرژی است. فضا را به عنوان یک زمین بازی سه بعدی تصور کنید که درون آن اشیایی مانند ستاره ها، سیارات، سحابی ها و کهکشان ها وجود دارند و با هم جهان جذاب و پیچیده ما را می سازند.
Nilakshi Veerabathina، استاد آموزش فیزیک، دانشگاه تگزاس در آرلینگتون می باشد.

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است.