КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА

КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА

- плазма в космич. пространстве и космич. объектах. К. п. условно можно разделить по предметам исследований: околопланетная, межпланетная плазма, плазма звёзд и звёздных атмосфер, плазма квазаров и галактич. ядер, межзвёздная и межгалактич. плазма. Указанные типы К. п. различаются своими параметрами (ср. плотностями п, ср. энергиями частиц и т. п.), а также состояниями: термодинамически равновесными, частично или полностью неравновесными.

Межпланетная К. п. Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магн. поля у планеты и её удалённости от Солнца. Магн. поле планеты существенно увеличивает область удержания околопланетной плазмы, образуя естественные магнитные ловушки. Поэтому область удержания околопланетной плазмы является неоднородной. Большую роль в формировании околопланетной плазмы играют потоки солнечной плазмы, двигающиеся практически ради-ально от Солнца (т. н. солнечный ветер), плотности к-рых падают с расстоянием от Солнца. Непосредственные измерения плотности частиц солнечного ветра вблизи Земли с помощью космич. аппаратов дают значения п(1-10) см ^-3. Плазма околоземного космич. пространства обычно разделяется на плазму ионосферы, имеющую плотность п до 10⁵ см ^-3 на высотах 350 км, плазму радиационных поясов Земли ( п10⁷ см ^-3) и магнитосферы Земли;вплоть до неск. радиусов Земли простирается т. н. плазмосфера, плотность к-рой п10² см ^-3.

Особенность плазмы верх. ионосферы, радиац. поясов и магнитосферы в том, что она является бесстолкновительной, т. е. пространственно-временные масштабы волновых и колебат. процессов в ней намного меньше столкновительных. Релаксация по энергиям и импульсам протекает не за счёт столкновений, а через возбуждение коллективных степеней свободы плазмы - колебаний и волн. В плазме подобного типа, как правило, отсутствует термодинамич. равновесие, в частности между электронной и ионной компонентами. Быстропротекающие процессы в них, напр. ударные волны, также определяются возбуждением мелкомасштабных колебаний и волн. Характерным примером является бесстолкновительная ударная волна, образующаяся при обтекании солнечным ветром магнитосферы Земли.

Звёздная К. п. Солнце и звёзды можно рассматривать как гигантские сгустки К. п. с плотностью, постоянно возрастающей от внеш. частей к центру: корона, хромосфера, фотосфера, конвективная зона, ядро. В т. н. нормальных звёздах высокие темп-ры обеспечивают термич. ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое давление плазмы поддерживает гидростатич. равновесие. Макс. расчётная плотность К. п. в центре нормальных звёзд п 10²⁴ см ^-3, темп-pa до 10⁹ К. Несмотря на высокие плотности, плазма здесь обычно идеальная за счёт высоких темп-р; только в звёздах с малыми массами (0.5 массы Солнца) появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центр. областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столкновительная, равновесная; в верх. слоях, в особенности хромосфере и короне, плазма бесстолкновительная. (Эти расчётные модели основаны на ур-ниях магнитной гидродинамики.)

В массивных и компактных звёздах плотность К. п. может быть на неск. порядков выше, чем в центре нормальных звёзд. Так, в белых карликах плотность настолько велика, что электроны оказываются вырожденными (см. Вырожденный газ). Ионизация вещества обеспечивается за счёт большой величины кинетич. энергии частиц, определяемой фер ми-энергией;. это же является причиной идеальности К. п. в белых карликах. Статич. равновесие обеспечивается фермиевским давлением электронов вырожденной плазмы. Ещё большие плотности вещества, возникающие в нейтронных звёздах, приводят к вырождению не только электронов, но и нуклонов. К нейтронным звёздам относятся пульсары - компактные звёзды, имеющие диаметры 20 км при массе 1 М. Пульсары характеризуются быстрым вращением (играющим важную роль в механич. равновесии звезды) и магн. полем дипольного типа (10¹² Гс на поверхности), причём магн. ось не обязательно совпадает с осью вращения. Пульсары обладают магнитосферой, заполненной релятивистской плазмой, к-рая является источником излучения эл.-магн. волн.

Диапазон темп-р и плотностей К. п. огромен. На рис. схематически показано разнообразие видов плазмы и их примерное расположение на диаграмме температура-плотность. Как видно из диаграммы, последовательность в уменьшении плотности К. п. приблизительно такова: плазма звёзд, околопланетная плазма, плазма квазаров и галактич. ядер, межпланетная плазма, межзвёздная и межгалактич. плазма. За исключением плазмы ядер звёзд и ниж. слоев околопланетной плазмы, К. п. является бесстолкновительной. Поэтому она часто бывает термодинамически неравновесной, а ф-ции распределения составляющих её заряж. частиц по скоростям и энергиям далеки от максвелловских. В частности, они могут содержать пики, соответствующие отд. пучкам заряж. частиц, быть анизотропными, в особенности в магн. космич. полях, и т. п. Такая плазма "избавляется" от неравновесности не через столкновения, а наиб. быстрым путём - через возбуждение эл.-магн. колебаний и волн (см. Бесстолкновительные ударные волны). Это приводит к тому, что мощность излучения космич. объектов, содержащих бесстолкновительную плазму, намного превосходит мощность равновесного излучения, а спектр заметно отличается от планковского. Примером является излучение квазаров, к-рое и в радио- и в оптич. диапазоне имеет неравновесный характер. И, несмотря на неоднозначность теоретич. интерпретации наблюдаемого излучения, все теории указывают на важность роли потоков релятивистских электронов, распространяющихся на фоне основной плазмы.

Др. источник неравновесного радиоизлучения - радиогалактики, к-рые по размерам значительно превосходят галактики, видимые в оптич. диапазоне. Здесь также важную роль играют релятивистские электроны, выбрасываемые из галактик и распространяющиеся на фоне окружающей галактики плазмы. Неравновесность магнитосферной плазмы, проявляющаяся также в наличии пучков заряж. частиц, приводит к километровому радиоизлучению Земли.

Классификация видов плазмы: ГР - плазма газового разряда; МГД - плазма в магни-тогидродинамичес-них генераторах; ТЯП-М - плазма в термоядерных магнитных ловушках; ТЯП-Л - плазма в условиях лазерного термоядерного синтеза: ЭГМ - электронный газ в металлах; ЭДП - электронно-дырочная плазма в полупроводниках; БК- вырожденный электронный газ в белых карликах; И - плазма ионосферы; СВ - плазма солнечного ветра; СК - плазма солнечной короны; С - плазма в центре Солнца; МП - плазма в магнитосферах пульсаров.

Неравновесные плазменные явления приводят также к тому, что плазма не только мощно излучает, но и становится турбулентной за счёт того, что определ. типы возбуждаемых волн и колебаний либо "задерживаются" в плазме долго либо вообще не могут "покинуть" плазму (напр., ленгмюровские колебания). Это позволяет найти путь для решения проблемы т. н. "обойдённых" элементов в теории происхождения элементов во Вселенной. Наиб. распространённая теория происхождения элементов предполагает, что из исходных протонов и нейтронов элементы образуются путём последоват. захвата нейтронов, а когда новый изотоп перегружен нейтронами, то в результате его радиоактивного распада с испусканием электрона и антинейтрино возникает новый элемент. Однако есть "обойдённые" элементы (напр., дейтерий, литий, бор и т. д.), образование к-рых нельзя объяснить захватом нейтронов; их происхождение, возможно, связано с ускорением заряж. частиц в областях с высокой степенью плазменной турбулентности и последующими ядерными реакциями ускоренных частиц.

К. п. удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптич. телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных спутниковых телескопов в рентгеновском и g-диапазонах излучения. С помощью приборов, установленных на ракетах, спутниках и космич. аппаратах, быстро расширяется диапазон прямых измерении параметров К. п. в пределах Солнечной системы. Эти методы включают в себя использование зондовых, волновых низко- и высокочастотных спектрометрич. измерений, измерений магн. и электрич. полей (см. Диагностика плазмы). Так были обнаружены радиац. пояса Земли, солнечный ветер, бесстолкновительная ударная волна впереди магнитосферы Земли, хвост магнитосферы, километровое излучение Земли, магнитосферы планет от Меркурия до Сатурна и т. д.

Совр. космич. техника позволяет проводить т. н. активные эксперименты в космосе - активно воздействовать на К. п., в первую очередь околоземную, радиоизлучениями, пучками заряж. частиц, плазменными сгустками и т. п. Эти методы используются для диагностики, моделирования естеств. процессов в реальных условиях, инициирования естеств. явлений (напр., полярных сияний).

Типы К. п. в космологии. По coвp. представлениям, Вселенная возникла во время т. н. большого взрыва (big-bang). В период разлёта вещества (расширяющаяся Вселенная), помимо гравитации, определяющей разлёт, три остальных типа взаимодействия (сильное, слабое и эл.-магнитное) вносят свой вклад в плазменные явления на разных стадиях разлёта. При чрезвычайно высоких темп-pax, характерных для ранних стадий разлёта, такие частицы, как, напр., W^+- и Z⁰ -бозоны, ответственные за слабые взаимодействия, были безмассовыми, как и фотоны (симметрия эл.-магн. и слабых взаимодействий). Это означает, что слабое взаимодействие являлось дальнодействующим, в к-ром аналогом самосогласованному эл.-магн. полю было самосогласованное Янга - Миллса поле. Т. о., вся лептонная компонента вещества находилась в состоянии плазмы. Учитывая имеющуюся в стандартной модели связь времени разлёта t и темп-ры термодинамически равновесного вещества Т: t(c)1/T². (темп-pa в МэВ), можно оценить время, в течение к-poro существовала такая лептонная плазма. При темп-pax Т, приближающихся к энергии покоя Z⁰ -бозона Mz с ² 100 ГэВ (соответствующее время t10^-10 с), происходит фазовый переход со спонтанным нарушением симметрии слабых и эл.-магн. взаимодействий, приводящий к появлению масс у W^+- и Z⁰ -бoзонoв, после чего лишь заряженные лептоны взаимодействуют с помощью только одних дальнодействующих сил - электромагнитных.

Адронная (сильно взаимодействующая) компонента вещества при столь высоких темп-pax также находится в своеобразном плазменном состоянии, наз. кваркглюонной плазмой. Здесь взаимодействие между кварками осуществляется также безмассовыми глюонными полями. При плотностях горячей кварк-глюонной плазмы ( п Т ³ )со ср. расстоянием между элементарными частицами 10^-13 см - радиус нуклона (при этом Т100 МэВ) кварк-глюонная плазма является идеальной и может быть бесстолкновительной. При дальнейшем остывании Вселенной, когда за время t10^-4 с темп-pa падает до T100 МэВ (энергии покоя -мезонов), происходит новый фазовый переход: кварк-глюонная плазма - адронное вещество (характеризующееся короткодействием с радиусом взаимодействия 10^-13 см). Это вещество состоит из стабильных нуклонов и быстро распадающихся адронов. Общее состояние К. п. в последующий затем период определяется заряж. лептонной (в основном элект-ронно-позитронной) компонентой, т. к. во Вселенной сохраняется отношение полного барионного заряда к лептонному и само это отношение весьма мало (10^-9). В итоге при малых временах (t1 с) К. п. является ультрарелятивистской и в основном электронно-позитронной. В момент времени t1 с темп-pa электронно-позитронной плазмы падает до 1 МэВ и ниже, при этом начинается интенсивная аннигиляция электронно-позитронных пар, после чего К. п. медленно приближалась к совр. состоянию, мало меняясь по составу элементарных частиц.

Лит.: Пикельнер С. Б., Основы космической электродинамики, 2 изд., М., 1966; Акасофу С. И., Чепмен С., Солнечно-земная физика, пер. с англ., ч. 1-2, М., 1974-75; Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979.

В. Н. Ораевский, Р. 3. Сагдеев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.