Вопрос о том, какова же скорость звука в вакууме, может показаться странным. Ведь само понятие "звук" подразумевает наличие среды, в которой распространяются звуковые волны.
Звук не может распространяться в идеальном вакууме
Давайте начнем с определений. Звук представляет собой механические колебания частиц некоторой среды, которые распространяются в этой среде в виде упругих волн. Без наличия среды звук существовать не может по определению.
Что же такое вакуум? В физическом смысле, вакуум - это пространство, лишенное вещества, то есть частиц, атомов и молекул. В идеальном физическом вакууме плотность частиц равна абсолютному нулю. Очевидно, что в таком абсолютном вакууме звук распространяться не может в принципе, поскольку там отсутствует среда, частицы которой могли бы передавать колебания.
Различие технического вакуума и космического вакуума
Однако на практике абсолютный вакуум невозможно создать. Даже в лабораторных условиях при использовании вакуумных насосов и другого оборудования всегда остается остаточное количество частиц вещества. Поэтому принято говорить о техническом вакууме - когда плотность оставшихся частиц на несколько порядков меньше, чем в обычных условиях, но не равна нулю. Например, в электронно-лучевой трубке телевизора или монитора плотность газа составляет около 10 -6 Па.
Еще более разреженный вакуум существует в межпланетном и межзвездном пространстве. Несмотря на крайне низкую плотность вещества, там все-таки присутствует очень разреженный межпланетный или межзвездный газ, состоящий из отдельных атомов и молекул.
Возможность распространения звука в космическом вакууме
И вот здесь возникает интересный момент - хотя плотность межзвездного газа чрезвычайно мала, иногда атомы или молекулы этого газа сталкиваются друг с другом. А поскольку сталкивающиеся частицы обладают скоростями (тепловое движение), то при их соударениях возникают колебания.
Эти редкие колебания частиц и могут рассматриваться как звук, распространяющийся в космическом "вакууме". Правда, вероятность таких столкновений настолько мала, а плотность среды настолько ничтожна, что скорость распространения звука там практически равна нулю. Тем не менее, теоретически звук в межзвездной среде возможен. И от чего же зависит эта очень малая, практически нулевая скорость космического звука?
Зависимость скорости звука в космосе от плотности и температуры газа
Во-первых, скорость звука зависит от плотности межзвездного газа. В разных областях космоса эта плотность может сильно варьироваться - например, вблизи плотных молекулярных облаков она выше, а в межгалактическом пространстве ниже.
Во-вторых, на скорость "космического звука" влияет температура газа. Хотя температура фона космического излучения составляет всего 2-3 Кельвина, разогретый газ вокруг звезд или в туманностях может иметь температуру в тысячи и даже миллионы кельвинов!
Чем выше температура, тем выше средняя скорость теплового движения частиц газа, а значит, сильнее удар при их столкновениях, то есть громче "космический звук". Конечно, даже в самых горячих областях Вселенной скорость этого звука по-прежнему чрезвычайно мала и фактически неотличима от нуля. Но теоретически она существует!
Типичные скорости частиц космического газа
Чтобы конкретизировать представления о "космическом звуке", давайте посмотрим, какие скорости характерны для частиц межзвездного газа. В качестве примера возьмем солнечный ветер - поток ионизированных частиц (в основном протонов), истекающих из верхних слоев солнечной атмосферы.
Скорость солнечного ветра сильно варьирует в зависимости от солнечной активности. Но типичное значение скорости протонов солнечного ветра лежит в диапазоне от 330 до 700 километров в секунду. Это и есть верхний предел для скорости "звука" в околосолнечном пространстве.
Верхняя граница скорости звука в межзвездной среде
А как насчет межзвездной среды, удаленной от звезд? Можно предположить, что скорости выбросов вещества из звезд в этой среде сопоставимы со скоростями в солнечном ветре, то есть сотни километров в секунду.
Значит, сотни километров в секунду - это также верхняя граница для возможной скорости распространения "космического звука" вдали от звездных систем, в разреженном межзвездном газе.
Сравнение со скоростью космических ударных волн
Для сравнения, при взрывах сверхновых звезд или столкновениях нейтронных звезд в космосе возникают мощные ударные волны, способные разгонять межзвездный газ до скоростей в тысячи километров в секунду!
Однако эти явления носят локальный характер и не имеют отношения к "фоновому" космическому звуку, о котором шла речь ранее. Тем не менее, они показывают, что при определенных условиях скорость распространения возмущений в межзвездной среде может в миллионы раз превосходить скорость теплового движения частиц этой среды!
Возможности практического применения
Несмотря на крайне малую скорость "космического звука", знания о его свойствах могут иметь практическое значение. Например, в задачах межпланетной навигации для коррекции траектории движения космических аппаратов.
Кроме того, анализ скорости и интенсивности "фонового звука" в различных областях космоса может дать полезную информацию об условиях в межзвездной среде - плотности, температуре, потоках космических лучей.
