Вокеане плазмы: четвертое состояние вещества

      Комментарии к записи Вокеане плазмы: четвертое состояние вещества отключены

Вокеане плазмы: четвертое состояние вещества

    Отважная пятерка Пять космических аппаратов миссии THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) на вытянутых околоземных орбитах изучают главные хранилища плазмы вблизи отечественной планеты — ионосферу и магнитосферу Почвы, и их сотрудничества с солнечным ветром. Эти сотрудничества приводят к появлению полярных возмущения и сияний магнитосферы Почвы, что ведет к магнитным бурям и выражается в нарушениях связи, работы электронных систем и приборов энергоснабжения Пять аппаратов выстроены в линию для регистрации состояния разных областей магнитосферы при перезамыкании магнитных линий Хроники Вселенной С момента Громадного взрыва события развивались достаточно скоро — за маленькое время сменилось пара главных эр. Дабы изучить первые моменты существования Вселенной, требуется взять соответствующие этим эрам огромные энергии. Частично смоделировать такие условия возможно посредством громадных ускорителей — таких, как Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC)

Главное прибежище плазмы на отечественной планете — ионосфера. За ее пределами плазма порождается на протяжении некоторых природных процессов (к примеру, грозовых разрядов), и на протяжении работы научных и бытовых технологических установок и приборов (к примеру, дуговых сварочных аппаратов). Ионы имеются кроме того в пламени простой спички, но их концентрация образовывает ничтожные доли процента, исходя из этого о настоящей плазме тут не может быть и речи.

Но во Вселенной плазменное состояние простой (не чёрной) материи отнюдь бывает, а действительно норма. Космос — это настоящий океан плазмы, она практически везде — от окрестностей и звёздных недр до фактически безлюдного межзвездного пространства.

Сейчас астрофизики и космологи пришли к единой мнению относительно того, что происходило в отечественной Вселенной, в то время, когда ее возраст перевалил за одну микросекунду (более ранние события все еще являются предметом дискуссий). Сейчас произошла так называемая Великая аннигиляция тогда еще свободных кварковых частиц, которая стёрла с лица земли все антикварки, но пощадила появившийся до этого мизерный избыток кварков (как и из-за чего это случилось, поведано в «ПМ» №3’2010).

К тому времени, в то время, когда возраст мироздания достиг 10 микросекунд, кварки слились в тройки (порождая барионы — нейтроны и протоны) и пары (нестабильные мезоны, по большей части пионы). На любой барион приходилось около миллиарда высокоэнергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла порядка 4 трлн градусов.

На десятой микросекунде Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой ужасной плотности (приблизительно 100 млн тысячь киллограм на кубический сантиметр), состоящей преимущественно из высокоэнергетичных позитронов — и лептонов электронов, порождаемых из-за большой температуры гамма-квантами. По этот причине эту фазу ранней истории Вселенной именуют лептонной эрой (а предшествующую ей — кварковой). Размер замечаемой Вселенной тогда был меньше много астрономических единиц, другими словами очень сильно уступал размерам современной Нашей системы.

Лептонная эра длилась , пока гамма-квантам хватало энергии для позитронов и порождения электронов. По мере расширения Вселенной температура фотонного газа всегда снижалась и достигла 10 млрд градусов, в то время, когда возраст мироздания составлял приблизительно одну секунду.

Образование пар (во все меньшем и меньшем количестве) длилось за счет «тёплого хвоста» фотонного спектра, но спустя пара секунд, в то время, когда температура фотонов спустилась ниже 4 млрд градусов, оно прекратилось. К моменту, в то время, когда Вселенной исполнилось 10 секунд, лептонная эра уже ушла в прошлое, покинув по окончании себя весьма тёплую плазму плотностью 5 кг/см3, в основном складывающуюся из фотонов.

Началась новая космическая эра, в то время, когда плотность электромагнитного излучения превышала плотность вещества. Эту эру так и именуют — радиационной.

В истории мироздания крайне важна трехминутная отметка. На данной стадии в первый раз стало возмможно формирования составных ядер — ядер дейтерия (протон плюс нейтрон). Энергия связи для того чтобы ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре в 25 млрд градусов.

Температура упала до данной величины, в то время, когда Вселенной было всего четверть секунды. Возможно поразмыслить, что дейтерий начал образовываться уже тогда, но таковой вывод будет ошибочным. Электромагнитное излучение Вселенной еще долго содержало достаточное количество тёплых фотонов, каковые разбивали новорожденные ядра дейтерия.

Дейтерий смог «выжить», только в то время, когда часть фотонов с энергией более 2,2 МэВ сократилась до одной миллиардной (неспециализированное число фотонов в полтора миллиарда раз превышало число подлежащих объединению барионов!). Это случилось, в то время, когда возраст Вселенной достиг одной 60 секунд, и вдобавок через 120 секунд процесс синтеза дейтерия отправился в полную силу. Новорожденные ядра этого изотопа принялись присоединять по одному протону и одному нейтрону (в любом порядке) — так показались альфа-частицы, ядра гелия.

Данный процесс занял всего пара мин. и охватил фактически все нейтроны (совсем маленькой их часть отправилась на не переработанный в гелиевом синтезе дейтерий, гелий-3 и литий-7). Исходное соотношение нейтронов и числа протонов равнялось 7:1, и любая новая альфа-частица оставляла по окончании себя 12 незадействованных протонов. Так космическое пространство выяснилось заполненным ядрами водорода (75% неспециализированной массы) и гелия (25%).

В наши дни эти показатели равны 74% и 24% — оставшиеся 2% приходятся на более тяжелые элементы, порожденные процессами звездного синтеза.

При синтезе гелия выделяется изрядная энергия (за счет этого горят звезды и взрываются водородные бомбы). Всего за пара мин. во мировом термоядерной печи сгорело в сто раза больше водорода, чем позже во всех звездах отечественной Вселенной. Но наряду с этим ничего особого не случилось — Вселенная только мало нагрелась, по окончании чего остывала входе предстоящего расширения.

Потому, что потепление охватило целый количество космоса, оно не породило компактных областей тёплого сжатого газа в более холодной и разреженной среде, каковые появляются при детонации любого заряда (хоть химического, хоть ядерного). Так, огромное энерговыделение на протяжении первичного синтеза фактически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, то же самое возможно сообщить и о двух еще более сильных прогревах космоса на протяжении антикварков и аннигиляции кварков, а после этого позитронов и электронов).

Первичный ядерный синтез снова преобразовал состав тёплой плазмы юной Вселенной. А вот позже в течение 400 000 лет она не претерпевала никаких качественных превращений. Все это время, во-первых, остывал радиационный фон, причем очень скоро, пропорционально четвертой степени растущего линейного размера Вселенной.

Во-вторых, уменьшалась плотность и простой, и чёрной материи, но пара медленней (как третья степень). Плотность фотонной энергии падала стремительнее, потому, что растяжение пространства не только рассеивало кванты по все большему и большему количеству, но и увеличивало длины их волн, тем самым снижая частоты. В то время, когда Вселенной стукнуло 57 000 лет, плотность лучевой энергии сравнялась с плотностью энергии частиц, а позже начала от нее отставать — наступил финиш радиационной эры.

Каким тогда казался бы космос разумному наблюдателю, если бы такой существовал? В то время, когда Вселенной стукнуло 50 000 лет, она в первый раз засветилась видимым для нас голубым светом (до этого реликтовые фотоны были ультрафиолетовыми, и вдобавок раньше, в то время, когда возраст Вселенной двигался от полутора мин. к 600 годам, — рентгеновскими). К 200 000 лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 000 лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным.

В возрасте Вселенной 5 млн лет ее температура упала до 600 К, фактически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную территорию и в космическом пространстве настала беспросветная тьма. Она начала рассеиваться только по окончании появления самых первых звезд, где-то через 200 млн лет по окончании Громадного взрыва.

Но что же все-таки случилось через 380 000 лет по окончании Громадного взрыва? Несколькими десятками тысяч лет ранее электроны начали объединяться с ядрами. Сперва альфа-частицы присоединяли к себе по единственному электрону и преобразовывались в однократно ионизированные атомы, а после этого и по второму, так что получались нейтральные атомы гелия. Позднее это же произошло и с протонами, каковые начали атомы водорода.

Подобные слияния стали вероятными вследствие того что в лучевом фоне сократилось количество фотонов с энергией больше энергии ионизации атомов гелия и водорода. Процесс рекомбинации растянулся на 80000 лет и фактически завершился, в то время, когда температура фотонного фона упала ниже 3000 К. Повторилась изменение, имевшая место в односекундной Вселенной: тогда пространство стало прозрачным для нейтрино, а сейчас — для квантов электромагнитного излучения.

Остывшие фотоны уже не могли рассеиваться на нейтральных атомах и, как некогда нейтрино, отправились в свободное путешествие по космосу. Эти реликтовые фотоны, остывшие с того времени до 2,7 К, мы именуем фоновым микроволновым излучением.

В итоге в космическом пространстве не стало свободных заряженных частиц — другими словами плазма, в той либо другой форме существовавшая как минимум с микросекундного возраста Вселенной, провалилась сквозь землю! В следствии рекомбинации она на многие миллионы лет уступила место нейтральному водородно-гелиевому газу, соседствовавшему (и взаимодействовавшему при помощи гравитации!) со столь же нейтральными частицами чёрной материи.

В то время, когда Вселенная состарилась до 100 млн лет, а температура фонового излучения опустилась до 80К, чёрная материя начала стягиваться за счет собственного тяготения во все более и более плотные сгустки. Еще через 100 млн лет эти сгустки смогли втягивать в себя частицы космического газа, из которых сформировались коллапсирующие облака, положившие начало первым звездам. Уже предшественники первого поколения таких светил, так именуемые протозвезды, возродили плазменное состояние материи, которое с того времени и господствует в космосе.

Плазма космических вакуумов

Не смотря на то, что звездная и околозвездная плазма вносит главной вклад в энергетику Громадного космоса, в общей массе барионной материи ее часть не превышает нескольких процентов

материи порядка и Большая (часть 80%) приходится на заряженные частицы, рассеянные в пространстве между их скоплениями и галактиками. Еще около 10% образовывает вещество, заполняющее внутригалактическое пространство, которое также проявляет обычные плазменные особенности. «Межгалактическая среда по составу очень несложна.

Она в основном складывается из электронов и одиночных протонов, но включает частицы гелия и более тяжелых элементов, — растолковывает Эллен Цвейбел, доктор наук астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне. — Это самое разреженное вещество во Вселенной — на 1 м³ пространства не приходится и одной протонно-электронной пары (вблизи галактических кластеров и галактик данный показатель выше на один-два порядка). Как раз исходя из этого межгалактическую плазму тяжело замечать посредством астрономических устройств.

Кое-какую данные удается взять при изучении спектров поглощения фотонов атомами элементов тяжелее водорода. электроны и Протоны межгалактической плазмы, как и каждые заряженные частицы, взаимодействуют с космическими магнитными полями. Такие поля совершенно верно имеются вблизи галактик, но до сих пор не известно, существует ли единое фоновое магнитное поле, пронизывающее Вселенную.

Кое-какие астрофизики считают, что такое поле существует, хоть мы не понимаем механизма его происхождения и не в состоянии измерить, поскольку его напряженность мала, меньше триллионной доли тесла. Быть может, что эту задачу со временем удастся решить, изучая поведение частиц межгалактической плазмы».

Плазма в галактик значительно плотнее — в среднем 1 млн частиц на 1 м³, холоднее межгалактической и богаче тяжелыми элементами. В ее состав входят микропылинки, которых нет в межгалактической среде. К тому же межзвездная газовая среда в основном складывается из молекул и нейтральных атомов, концентрация которых может в тысячи и сотни раз быть больше концентрацию заряженных частиц.

Однако такая среда прекрасно проводит электричество и посему есть в полной мере доброкачественной плазмой. Гравитационные поля стягивают частицы межзвездного газа в газо-пылевые тучи, из которых рождаются звезды и планетные совокупности.

Эхо Громадного взрыва

    Анизотропия реликтового излучения на разных частотах Анализ осцилляций очень серьёзен для космологии. Звуки в космической плазме восходят к неоднородностям материи, появившимся в течение первой секунды по окончании Громадного взрыва. Исходя из этого спектральный анализ реликтового микроволнового излучения дает богатейшую данные о ранней истории Вселенной

Рекомбинация космической материи не только перевела ее из ионизированного состояния в нейтральный газ, но и положила финиш весьма увлекательному явлению — плазменному звуку. Об этом «ПМ» поведал доктор наук Аризонского университета Дэниел Айзенстайн

«Звук в любой газовой среде — это колебательный процесс, на протяжении которого в ней распространяются разрежения и волны сжатия. В воздухе звук переносится благодаря столкновениям между молекулами газа. В возрасте космической плазмы 100 000 лет любой кубический сантиметр пространства содержал 2000 электронов и менее 200 ядер гелия.

Но в этом же количестве пребывало примерно 3 трлн фотонов, каковые и создавали упругую среду. Не смотря на то, что давление в данной среде было очень низким (одна стотысячная атмосферы), звук в ней распространялся со скоростью практически 60% скорости света. В территориях максимума лучевого давления яркость и температура фотонного газа возрастали, в территориях минимума — падали.

Потому, что фотоны не особенно громадных энергий никак не подмечают присутствия друг друга, в фотонном газе звуковые колебания имели возможность распространяться только в присутствии заряженных частиц, на каковые рассеивались световые кванты. По окончании рекомбинации свежеиспеченные атомы прекратили ощущать давление света, а освободившиеся фотоны разлетелись по космическому пространству. Существовавшие в те времена колебания плотности фотонного газа законсервировались до наших дней.

Температура реликтовых фотонов, пришедших из различных участков небосвода, колеблется с амплитудой порядка 1/100 000. Эти осцилляции и имеется следы звуковых волн, некогда распространявшихся в фотонном газе.

Солнечная плазма

    Источник плазмы Солнечный ветер — поток частиц плазмы — растекается от Солнца до самых границ нашей системы (гелиосферы), превращая ее в плазменный океан

В центре Солнца идут реакции термоядерного синтеза. Ионов как таковых в том месте нет, элементы представлены электронами и голыми ядрами, загружёнными в газ из гамма-квантов.

Не смотря на то, что удельная плотность данной среды в десять раз превышает плотность свинца, она владеет динамическими чертями обычной плазмы.

Кое-какие ядра пробиваются к поверхности светила, попадают во все более и более холодные слои и обрастают электронными оболочками. Атомам многоэлектронных элементов, входящих в состав солнечной атмосферы, в большинстве случаев, не достаточно всего одного-двух электронов. Действительно, в верхних ее слоях, в зоне солнечной короны, где температуры измеряются миллионами градусов, степень ионизации возрастает (необходимо заметить, что неповторимая структура коронального спектра разъясняется присутствием очень сильно ионизированных атомов железа).

В состав солнечной атмосферы кроме этого входят ядра водорода и гелия, отрицательные ионы водорода (они играются большую роль в поглощении инфракрасного и видимого света), а также, в наиболее прохладных участках, молекулы моноокиси и воды углерода — и, конечно, электроны. Так что это многокомпонентная плазма, в которой происходят сложные динамические процессы с непременным участием сильных и скоро изменяющихся магнитных полей.

На внешней границе солнечной атмосферы тяготение уже не в состоянии удерживать частицы плазмы, каковые уходят в космос и заполняют его впредь до границ гелиосферы.

Данный феномен именуется спокойным солнечным ветром. Его состав сходится с составом плазмы короны — это электроны и протоны с маленькой добавкой альфа-частиц, ионов O, железа, кремния и некоторых вторых элементов.

К спокойному ветру иногда добавляются выбросы менее плотной, но более нагретой плазмы, порожденной замечательными корональными возмущениями. Эти потоки неспешно уносят угловой момент Солнца, уменьшая скорость его осевого вращения. Не следует удивляться, что юные звезды солнечного типа в большинстве случаев совершают полный оборот значительно стремительнее, чем отечественное светило.

Небесные экстремалы

    Плазмосфера Почвы Внешняя часть ионосферы Почвы — это по большей части ионизированный ультрафиолетовым излучением Солнца водород

Межзвездный газ довольно спокоен только вдалеке от массивных жителей космического пространства, а в их окрестностях он существенно нагревается и обретает множество экзотических особенностей

«Компактные космические объекты, такие как чёрные дыры и нейтронные звёзды, часто имеют компаньонов — простые звезды, — растолковывает «ПМ» эксперт по теоретической астрофизике из Принстонского университета Анатолий Спитковский. — Таковой объект своим гравитационным притяжением вытягивает вещество из воздуха звезды-соседки, и около него формируется так называемый аккреционный диск. Температура во внутренних территориях для того чтобы диска достигает миллиона градусов.

Эти области заполнены вращающейся тёплой плазмой, которая выдает себя рентгеновским излучением. В данной плазме появляются магнитные поля, каковые смогут стать обстоятельством образования джетов — струйных выбросов плазменных частиц, направленных перпендикулярно плоскости аккреционного диска. Еще более экстремальная плазма существует около поверхности скоро вращающихся намагниченных нейтронных звезд.

В том месте имеются замечательные электрические поля, каковые отрывают электроны с поверхности звезды и разгоняют их на протяжении закрученных силовых линий магнитного поля до энергий порядка триллиона электронвольт. Двигаясь по этим искривленным траекториям, электроны излучают гамма-кванты, каковые в сильном магнитном поле порождают электронно-позитронные пары. Так, нейтронная звезда выясняется окружена магнитосферой, складывающейся из позитронов и электронов».

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№91, май 2010).

Физика плазмы


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: