Космическая плазма

КОСМИЧЕСКАЯ ПЛАЗМА, плазма (полностью или частично ионизованный газ) в космическом пространстве и населяющих его объектах. Космическая плазма возникла в первые микросекунды рождения Вселенной после Большого взрыва и ныне является наиболее распространённым состоянием вещества в природе, составляя 95% от массы Вселенной (без учёта тёмной материи и тёмной энергии, природа которых пока неизвестна). По свойствам, зависящим от температуры и плотности вещества, и по направлениям исследования космическую плазму можно разделить на следующие виды: кварк-глюонная (ядерная), галактическая (плазма галактик и галактических ядер), звёздная (плазма звёзд и звёздных атмосфер), межпланетная и магнитосферная. Космическая плазма может находиться в равновесном и неравновесном состояниях, может быть идеальной и неидеальной.

Возникновение космической плазмы. Согласно теории Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад вещество Вселенной было сконцентрировано в очень малом объёме и имело огромную плотность (5·10⁹¹ г/см³) и температуру (10³² К). При чрезвычайно высоких температурах, характерных для ранних стадий расширения Вселенной, такие частицы, как, например, W^± - и Z⁰-бозоны, ответственные за слабое взаимодействие, были безмассовыми, как и фотоны (симметрия электромагнитного и слабого взаимодействий). Это означает, что слабое взаимодействие являлось дальнодействующим, а аналогом самосогласованного электромагнитного поля было самосогласованное Янга - Миллса поле. Т.о., вся лептонная компонента вещества, участвующая в слабом и электромагнитном взаимодействиях, находилась в состоянии плазмы. Распад электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое при Т < 10¹⁵ К привёл к появлению массы у кварков, лептонов и W^±-, Z-бозонов. Вещество оказалось в состоянии кваркглюонной плазмы (рис.) - сильновзаимодействующей ядерной материи, в которой освобождённые цветные кварки (фундаментальные частицы вещества) и глюоны (кванты сильного взаимодействия) образуют непрерывную среду (хромоплазму) и могут распространяться в ней как квазисвободные частицы, а слабые взаимодействия играют роль дальнодействующих сил. При плотностях вещества n > 10¹⁴ г/см³, энергиях > 0,1 ГэВ и средних расстояниях между частицами много меньше 10^-13 см такая плазма может быть идеальной и бесстолкновительной (длина свободного пробега частиц много больше характерных размеров системы). Охлаждаясь, кварки начали группироваться в адроны (адронизация, кваркадронный фазовый переход). Основными процессами в эру адронов были рождение гамма-квантами пар частица - античастица и их последующая аннигиляция. К концу адронной эры, когда температура снизилась до 10¹² К, а плотность вещества до 10¹⁴ г/см³, рождение пар адрон - антиадрон стало невозможным, а их аннигиляция и распад продолжались. Однако энергия фотонов была достаточна для рождения пар лептон - антилептон (лептонная эра).

После 1 с от начала Большого взрыва начались реакции нуклеосинтеза и происходило формирование современной космической плазмы. Высокие плотность и температура излучения не позволяли образовываться нейтральным атомам; вещество пребывало в состоянии плазмы. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва, при охлаждении до температуры около 4000 К, началось объединение протонов и электронов в атомы водорода, дейтерия и гелия, а излучение перестало взаимодействовать с веществом. Фотоны стали распространяться свободно. Они наблюдаются ныне в виде равновесного микроволнового фонового излучения (реликтовое излучение). Через 150 миллионов – 1 млрд. лет после Большого взрыва образовались первые звёзды, квазары, галактики, скопления и сверхскопления галактик. Происходила повторная ионизация водорода светом звёзд и квазаров с образованием галактической и звёздной плазмы. Через 9 миллиардов лет произошло образование межзвёздного облака, давшего начало Солнечной системе и Земле.

Виды космической плазмы. За исключением плазмы ядер звёзд и нижних слоёв околопланетной плазмы, космическая плазма является бесстолкновительной. Вследствие этого функции распределения космической плазмы часто отличаются от классического распределения Максвелла, т. е. могут иметь пики, соответствующие пучкам заряженных частиц. Для бесстолкновительной плазмы характерно неравновесное состояние, при котором температуры протонов и электронов различны. Равновесие в бесстолкновительной космической плазме устанавливается не через столкновения, а через возбуждение электромагнитных волн, согласованных с коллективным движением заряженных частиц плазмы. Типы волн зависят от внешних магнитных и электрических полей, от конфигурации плазмы и полей.

Мощность неравновесного излучения космических объектов может быть много больше мощности равновесного излучения, а спектр - непланковский. Источниками неравновесного излучения являются, например, квазары и радиогалактики. В их излучении важную роль играют выбросы (джеты) потоков релятивистских электронов или сильно ионизованной плазмы, распространяющихся в космических магнитных полях. Неравновесность магнитосферной плазмы вблизи Земли проявляется также в генерации пучков заряженных частиц, что приводит к радиоизлучению Земли в диапазоне километровых длин волн. Неравновесные плазменные явления приводят к генерации пакетов волн и возникновению многомасштабных плазменных турбулентностей в космической плазме.

Галактическая плазма имеет большую плотность в молодых галактиках, образующихся из сжимающихся протозвёздных облаков ионизованного газа и пыли. Соотношение общего количества звёздного и межзвёздного вещества в галактике изменяется по мере эволюции: из межзвёздной диффузной материи образуются звёзды, а они в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвёздное пространство только часть вещества; некоторая часть его остаётся в белых карликах и нейтронных звёздах, а также в медленно эволюционирующих маломассивных звёздах, возраст которых сравним с возрастом Вселенной. Таким образом, со временем количество межзвёздного вещества в галактике убывает: в «старых» галактиках концентрация межзвёздной плазмы ничтожна.

Звёздная плазма. Звёзды типа Солнца представляют собой массивные плазменные шарообразные объекты. Термоядерные реакции в ядре поддерживают высокие температуры, которые обеспечивают термическую ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое давление плазмы поддерживает гидростатическое равновесие. Температура плазмы в центре нормальных звёзд может достигать 10⁹ К. Плазма солнечной короны имеет температуру около 2·10⁶ К и сосредоточена преимущественно в магнитных арках, трубках, создаваемых выходящими в корону магнитными полями Солнца.

Несмотря на высокие плотности, плазма звёзд обычно идеальна за счёт высоких температур: только в звёздах с малыми массами [ ≥ 0,5 массы Солнца (Мʘ)] появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центральных областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столкновительная, равновесная; в верхних слоях (особенно в хромосфере и короне) плазма бесстолкновительная.

В массивных и компактных звёздах плотность космической плазмы может быть на несколько порядков выше, чем в центре нормальных звёзд. Так, в белых карликах плотность настолько велика, что электроны оказываются вырожденными (смотри Вырожденный газ). Ионизация вещества обеспечивается за счёт большой кинетической энергии частиц, определяемой ферми-энергией; она же является причиной идеальности космической плазмы в белых карликах. Вырожденный электронный газ противодействует силам гравитации, обеспечивая равновесие звезды.

В нейтронных звёздах (конечных продуктах эволюции звёзд массой 1,3-2Мʘ) при плотностях вещества 3·10¹⁴-2·10¹⁵ г/см3, сравнимых с плотностью вещества в атомных ядрах, происходит вырождение не только электронов, но и нейтронов. Давление нейтронного вырожденного газа уравновешивает силу гравитации в нейтронных звёздах. Как правило, нейтронные звёзды - пульсары - имеют диаметры 10-20 км, быстро вращаются и обладают сильным магнитным полем дипольного типа (порядка 10¹²-10¹³ Гс на поверхности). Магнитосфера пульсаров заполнена релятивистской плазмой, которая является источником излучения электромагнитных волн.

Современные теории предполагают, что в ядрах наиболее массивных нейтронных звёзд, возможно, существует кварк-глюонная плазма (так называемые кварковые, или странные, звёзды). При высоких плотностях вещества в центрах нейтронных звёзд нейтроны оказываются расположенными вплотную друг к другу (на расстоянии классических радиусов), благодаря чему кварки могут свободно перемещаться по всей области вещества. Такое вещество можно рассматривать как кварковый газ или жидкость.

Межпланетная и магнитосферная плазма. Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магнитного поля у планеты и её удалённости от Солнца, в короне которого есть открытые (не замкнутые) магнитные силовые линии. По ним со скоростью 300-1200 км/с истекает солнечный ветер - поток ионизованных частиц (протоны, электроны и ядра гелия) с плотностью порядка 1-10 см^-3. Силовые линии межпланетного магнитного поля, созданного токами, текущими внутри Солнца, можно считать вмороженными в плазму солнечного ветра. Собственное магнитное поле большинства планет, как правило, имеет дипольную форму, что способствует захвату межпланетной плазмы и энергичных солнечных частиц в естественные магнитные ловушки. Обтекание солнечным ветром магнитного поля планеты приводит к образованию магнитосферы планеты - полости, заполненной плазмой солнечного ветра и плазмой планетного происхождения.

При обтекании сверхзвуковым потоком солнечного ветра магнитного поля Земли на расстоянии 13-17 радиусов Земли от её центра образуется бесстолкновительная ударная волна, на которой происходит торможение плазмы солнечного ветра, её нагрев и увеличение плотности и амплитуды магнитного поля. Ближе к планете располагается магнитопауза - граница магнитосферы, где динамическое давление плазмы солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Магнитосфера Земли сжата со стороны налетающего потока на дневной стороне и сильно вытянута в ночном направлении, формой напоминая хвост кометы (так называемый магнитосферный хвост).

В зависимости от величины магнитного поля магнитосферы планет могут иметь различное строение, которое тем компактнее, чем меньше собственное магнитное поле планеты. Магнитосфера Земли включает ионосферу (верхнюю атмосферу на высотах от 60 км и выше, где плазма сильно ионизована под действием солнечного коротковолнового излучения) с плотностью частиц 10²-10⁶ см^-3, плазму радиационных поясов Земли с плотностью порядка 10⁷ см^-3, плазмосферу с плотностью порядка 10²-10⁴ см^-3 на расстояниях до нескольких радиусов Земли и плазму магнитосферного хвоста со средней плотностью порядка 1 см.

Плазма солнечного ветра проникает в магнитосферу в области «разомкнутых» магнитных силовых линий (полярных каспов), в областях пересоединения земного и межпланетного магнитных полей на магнитопаузе, вследствие магнитогидродинамических (МГД) эффектов и плазменных неустойчивостей. Часть проникшей в магнитосферу плазмы пополняет радиационные пояса планеты и плазменный слой магнитосферного хвоста. Проникновение плазмы внутрь магнитосферы и её высыпание в верхние слои атмосферы и ионосферы являются причиной полярных сияний.

В Солнечной системе магнитосферы имеются практически у всех планет. Земля и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) обладают наиболее сильными собственными магнитными полями, самое слабое магнитное поле имеет Марс, у Венеры и Луны собственное магнитное поле практически отсутствует. Магнитосферная плазма планет является бесстолкновительной. Релаксация по энергиям и импульсам в такой плазме происходит через возбуждение многообразных колебаний и волн. В плазме хвоста магнитосферы Земли отсутствует термодинамическое равновесие: электронная температура в 3-8 раз меньше ионной.

Магнитосферы планет сильно изменчивы, что связано с изменчивостью межпланетного магнитного поля и потока энергии, поступающего из солнечного ветра внутрь магнитосферы благодаря пересоединению магнитных силовых линий на магнитопаузе. Наиболее сильные магнитосферные возмущения - магнитные бури связаны с приходом к Земле плазменных облаков при мощных выбросах плазмы из короны Солнца.

Методы исследования космической плазмы. Космическая  плазма удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптических телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных рентгеновских и гамма-телескопов. С помощью приборов, установленных на ракетах, спутниках и КА, быстро расширяется количество прямых измерений параметров космической плазмы в пределах Солнечной системы (исследования Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и других планет). Методы исследования включают в себя использование зондовых измерений, волновой низко и высокочастотной спектрометрии, измерений магнитных и электрических полей. Ведутся исследования радиационных поясов Земли, солнечного ветра, бесстолкновительной ударной волны магнитосферы Земли, хвоста магнитосферы, полярных сияний, километрового излучения Земли и т.д. Современная космическая техника позволяет проводить так называемые активные эксперименты в космосе - активно воздействовать на околоземную космическую плазму радиоизлучением, пучками заряженных частиц, плазменными сгустками и т.п. Эти методы используются для диагностики и моделирования естественных процессов в реальных условиях.

В земных условиях кварк-глюонную плазму стало возможным исследовать на коллайдерах при столкновении пучков релятивистских тяжёлых ионов [ЦЕРН, Швейцария; RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), США].

Для космической плазмы характерно существование магнитогидродинамических волн, которые при больших амплитудах сильно нелинейны и могут иметь форму солитонов или ударных волн. Общая теория нелинейных волн пока отсутствует. Задача о волнах малой амплитуды решается до конца методом линеаризации уравнений состояния плазмы. Для описания столкновительной космической плазмы обычно используется МГД-приближение (смотри Магнитная гидродинамика). Распространение волн и мелкомасштабные структуры в бесстолкновительной космической плазме описываются системами уравнений Власова - Максвелла для электромагнитных полей и плазмы. Однако, когда тепловое движение заряженных частиц несущественно, а масштабы системы велики по сравнению с ларморовским радиусом (характерным масштабом вращения заряженных частиц в магнитном поле), в бесстолкновительной плазме также используется МГД-приближение.

Лит.: Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М., 1974-1975. Ч. 1-2; Альвен Х. Космическая плазма. М., 1983; Зеленый Л. М. Динамика плазмы и магнитных полей в хвосте магнитосферы Земли // Итоги науки и техники. Сер. Исследования космического пространства. М., 1986; Астрономия: век XXI / Под редакцией В. Г. Сурдина. Фрязино, 2007; Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр. СПб., 2008.