Ғарышта плазмамен тәжірибе жасау. Плазма кристалдары: ғарыштық зерттеулерден Жердегі медициналық қолданбаларға дейін және қайтадан ғарышқа Плазма эксперименттері

1990 жылдардың басынан бастап қарапайым плазмадан диаметрі 10-нан 100 нанометрге дейінгі салыстырмалы түрде үлкен (иондар өлшемімен салыстырғанда) микробөлшектердің болуымен ерекшеленетін шаңды плазма деп аталатындар тартыла бастады. физиктер арасында қызығушылық. Ғалымдардың қызығушылығы еріксіз пайда болды, өйткені плазмадағы шаң микрочиптерді өндіруде қолданылатын плазмалық оюдың тамаша технологиялық процестерін айтарлықтай бұзды. Мәселені тереңдетіп зерттеу көрсеткендей, плазма ағынындағы ұқсас зарядталған микробөлшектер интуицияға және физика заңдарына қайшы, жан-жаққа шашылмайды, бірақ бір-біріне тартылып, үлкен кесектерді түзеді және өңдеу тазалығын ластайды. .

Мәселені егжей-тегжейлі зерттеу - Интернэшнл бортында жердегі және микрогравитация жағдайында эксперименттер ғарыш станциясы, компьютерлік модельдеу- зерттеушілерді плазма ағынындағы шаңды плазма заттың өте ерекше күйі деген қорытындыға әкелді. Бұл күйдің ең маңызды ерекшеліктерінің бірі - онда үнемі жүріп жатқан күшті диссипация процестері, яғни. сыртқы ортамен энергия алмасуы, өздігінен ұйымдастырылатын құрылымдардың қалыптасуын қамтамасыз етеді. Бұл жағдайда плазмалық ағындар мен электр өрістері үлкен қашықтыққа ұқсас зарядталған шаң бөлшектерінің тартылуын қамтамасыз ететін шаң үшін өте ерекше жағдайлар жасайды. Қолайлы жағдайларда плазмада тұрақты «шаң кристалдарының» пайда болуы осы процестердің табиғи салдары болуы мүмкін.

Гравитациялық жағдайларда мұндай тәжірибелер әдетте қалыпты құрылымы бар құйынды конвективтік жасушалардың торы түріндегі жалпақ кристалдардың пайда болуына әкеледі. Дегенмен, ауырлық күшінің жоқтығын имитациялайтын компьютерлік модельдеумен эксперименттерде жазық құйынды цилиндрлік пішінге ие болады және оны құрайтын шаң бөлшектері бір немесе қос спиральді спираль құрылымдарына өздігінен ұйымдаса алады. Бұл жерде ДНҚ-ға ұқсастықты байқамау, әрине, өте қиын. Ал 2007 жылдың жазында тез танымалдық пен беделге ие болған «New Journal of Physics» халықаралық интернет-басылымында шаңды плазмалық кристалдарды зерттеудің қазіргі нәтижелері туралы өте пікірталас жұмысы жарияланды. Мақаланы плазма физикасының патриархтарының бірі, академик Вадим Н.Цытович және оның Ресей, Германия және Австралия институттарындағы бір топ әріптестері дайындаған және оның нәтижелері бейорганикалық тіршілікке өте ұқсас құрылымдар болатын деген қорытындыға келді. ашылды.

Атап айтқанда, зерттеушілер ғарыштың барлық жерінде кездесетін белгілі бір экологиялық жағдайлар шаңды плазма бөлшектерінен спиральды құрылымдардың өздігінен пайда болуына әкелуі мүмкін екенін анықтады. Сонымен қатар, бұл құрылымдардың кейбірінде радиустың бифуркациялары деп аталатындар байқалады; бұранданың бір радиусынан екіншісіне және кері ауысулардың күрт өзгеруі, бұл спираль қималарының ұзындығы мен радиусы бойынша ақпаратты сақтау механизмін қамтамасыз етеді. Оның үстіне, кейбір компьютерлік модельдеулерде спираль екіге бөлініп, өзін тиімді қайталайды. Басқа эксперименттерде екі спираль бір-бірінің құрылымдық өзгерістерін тудырды, ал кейбір спиральдар тіпті эволюцияны көрсетті, уақыт өте тұрақты құрылымдарға айналады ...

ҒАРЫШ ПЛАЗМА

ҒАРЫШ ПЛАЗМА

- плазмағарышта кеңістік және кеңістік нысандар. Ғарыштық кеңістікті зерттеу пәндері бойынша шартты түрде бөлуге болады: айналмалы, планетааралық, жұлдыздар плазмасы мен жұлдыздық атмосфералар, квазарлар мен галактикалар плазмасы. ядролар, жұлдызаралық және галактика аралық. плазма. Көрсетілген K. p. түрлері олардың параметрлері бойынша ерекшеленеді (тығыздықтармен салыстырыңыз P,қараңыз. бөлшектер энергиясы және т.б.), сондай-ақ күйлер: термодинамикалық тепе-теңдік, ішінара немесе толығымен тепе-теңдік емес.

Планетааралық ғарыш аппаратыАйналмалы плазманың күйі, сондай-ақ ол алып жатқан кеңістіктің құрылымы оның меншікті магнит өрісінің болуына байланысты. планетаның өрістері және оның Күннен қашықтығы. Маг. планетаның табиғи түзетін айналмалы плазманың ұсталу аймағын айтарлықтай арттырады магниттік тұзақтар.Сондықтан айналмалы плазманың шектелу аймағы біртекті емес. Айналмалы плазманың қалыптасуында Күннен радиалды түрде қозғалатын күн плазмасының ағындары үлкен рөл атқарады (деп аталатын). шуақты жел),тығыздықтар Күннен қашықтығына қарай төмендейді. Ғарыш аппараттарының көмегімен Жерге жақын күн желінің бөлшектерінің тығыздығын тікелей өлшеу. құрылғылар мән береді П(1-10) см -3 . Жерге жақын кеңістіктің плазмасы. кеңістік әдетте плазмаға бөлінеді ионосфера,бар П 350 км биіктікте 10 5 см -3 дейін, плазма радиациялық белдеулерЖер ( П 10 7 см -3) және Жердің магнитосферасы; бірнешеге дейін Жердің радиустары деп аталатындарды ұзартады. плазмафера, тығыздық П 10 2 см -3 .

Плазма үстіңгі қабатының ерекшелігі. ионосфера, радиация белдеулер мен магнитосфера соқтығыспайды, яғни толқын мен тербелістің кеңістіктік-уақыттық шкалалары. ондағы процестер соқтығысудан әлдеқайда аз. Энергиялар мен моменттегі релаксация соқтығыстардың есебінен емес, плазманың ұжымдық еркіндік дәрежелері – тербелістер мен толқындар арқылы жүреді. Бұл типтегі плазмада, әдетте, термодинамикалық болмайды тепе-теңдік, атап айтқанда электронды және иондық компоненттер арасындағы. Мысалы, оларда жылдам ағып жатқан. соққы, сонымен қатар шағын ауқымды тербелістер мен толқындардың қозуымен анықталады. Тән мысал - соқтығыспайтын, ол күн желінің Жердің магнитосферасын айналып өтуі кезінде пайда болады.

Жұлдыз К. б.Күнді сондай-ақ тығыздығы сырттан үнемі өсіп келе жатқан K. p.-ның алып шоғырлары ретінде қарастыруға болады. орталыққа бөліктері: тәж, хромосфера, фотосфера, конвективті аймақ, ядро. деп аталатын жерде. қалыпты жұлдыздар жоғары температура жылуды қамтамасыз етеді. заттың иондануы және оның плазма күйіне өтуі. Жоғары плазма гидростатиканы қолдайды. тепе-теңдік. Макс. Қалыпты жұлдыздардың центріндегі K. p. есептелген тығыздығы П 10 24 см -3 , температура 10 9 К дейін. Жоғары тығыздыққа қарамастан, мұнда плазма әдетте жоғары температураға байланысты өте қолайлы; массасы аз (0,5 күн массасы) жұлдыздарда ғана идеалды емес плазмаға байланысты әсерлер пайда болады. Орталыққа. қалыпты жұлдыздардың аймақтарында бөлшектердің бос жолының ұзындықтары аз, сондықтан олардағы плазма соқтығысқан, тепе-теңдік; жоғарғы жағына. қабаттар, әсіресе хромосфера мен тәж, плазма соқтығыспайды. (Бұл есептеу үлгілері теңдеулерге негізделген магниттік гидродинамика.)

Массивті және ықшам жұлдыздарда C. p. тығыздығы бірнеше есе болуы мүмкін. қалыпты жұлдыздардың центріне қарағанда үлкен мөлшерлер. Иә, в ақ ергежейлілертығыздығы соншалықты жоғары, электрондар азғынға айналады (суретті қараңыз). дегенеративті газ).Заттың иондануы кинетиканың үлкен мәніне байланысты қамтамасыз етіледі. бөлшектердің энергиясы, анықталады ферми-энергия;. ақ ергежейлілердегі КП идеалдылығының себебі де осы. Статикалық тепе-теңдік бұзылған плазма электрондарының Ферми қысымымен қамтамасыз етіледі. Заттың одан да жоғары тығыздығы пайда болады нейтрондық жұлдыздара, электрондардың ғана емес, нуклондардың да дегенерациясына әкеледі. Нейтронды жұлдыздар – диаметрі 20 км, массасы 1 болатын ықшам жұлдыздар М. Пульсарлар жылдам айналумен (жұлдыздың механикалық тепе-теңдігінде маңызды рөл атқарады) және магниттілігімен сипатталады. дипольді типті өріс (бетінде 10 12 Г), және магн. осі айналу осімен бірдей болуы міндетті емес. Пульсарларда электромагниттік сәулелену көзі болып табылатын релятивистік плазмамен толтырылған магнитосфера бар. толқындар.

Температура мен тығыздық диапазоны K. p. орасан зор. Суретте. плазма түрлерінің әртүрлілігін және олардың температура-тығыздық диаграммасында шамамен орналасуын схемалық түрде көрсетеді. Диаграммадан көрініп тұрғандай, ғарыштық сәулелердің тығыздығының төмендеу реттілігі шамамен келесідей: жұлдыз плазмасы, айналмалы плазма, квазар және галактикалық плазма. ядролар, планетааралық плазма, жұлдызаралық және галактика аралық. плазма. Жұлдыздардың ядроларының плазмасын қоспағанда және одан төмен. айналмалы плазманың қабаттары, C. p. соқтығыспайды. Сондықтан ол көбінесе термодинамикалық тепе-теңдік емес және оның құрамдас зарядтарының таралу функциялары. жылдамдықтары мен энергиялары бойынша бөлшектер Максвеллианнан алыс. Атап айтқанда, оларда сәйкес келетін шыңдар болуы мүмкін заряд сәулелері. бөлшектер анизотропты болады, әсіресе магн. ғарыш өрістер және т.б. Мұндай плазма тепе-теңдіктен соқтығыстар арқылы емес, ең көп арқылы «құтылады». жылдам жол – электронды магдың ​​қозуы арқылы. тербеліс және толқындар (қараңыз соқтығыспайтын соққы толқындары).Бұл ғарыштық сәулелену фактісіне әкеледі. Құрамында соқтығыспайтын плазмасы бар объектілер тепе-теңдік сәулеленуінен әлдеқайда жоғары және Планк сәулеленуінен айтарлықтай ерекшеленеді. Мысалы квазарлар, to-roe және радио және оптикалық. диапазоны тепе-теңдік емес. Және, теориялық түсініксіздігіне қарамастан байқалатын сәулеленуді түсіндіру, барлық теориялар негізгі плазманың фонында таралатын релятивистік электрон ағындарының рөлінің маңыздылығын көрсетеді.

Dr. тепе-тең емес радио сәулелену көзі - радиогалактикалар, to-rye өлшемі оптикада көрінетін галактикалардан әлдеқайда үлкен. диапазон. Мұнда галактикалардан шығарылған және галактиканы қоршап тұрған плазма фонында таралатын релятивистік электрондар да маңызды рөл атқарады. Магнитосфералық плазманың тепе-теңдігі жоқ, ол заряд сәулелерінің қатысуымен де көрінеді. бөлшектер, Жердің километрлік радио сәулеленуіне әкеледі.

Плазма түрлерінің жіктелуі: GR – газ разрядты плазма; MHD - магнитогидродинамикалық генераторлардағы плазма; TYAP-M – термоядролық магниттік тұзақтардағы плазма; TYAP-L - лазер астында плазма термоядролық синтез: EGM - металдарда; EHP - жартылай өткізгіштердегі электронды-тесік плазмасы; BK - ақ ергежейлілерде азғындалған электрон; I – ионосфераның плазмасы; БҚ – күн желінің плазмасы; SC - күн тәжінің плазмасы; С – Күннің орталығындағы плазма; МП – пульсарлардың магнитосферасындағы плазма.

Тепе-теңдік емес плазма құбылыстары сонымен бірге плазманың күшті сәулеленуіне ғана емес, сонымен бірге белгілі бір әсерге байланысты турбулентті болуына әкеледі. қоздырылған толқындар мен тербелістердің түрлері плазмада ұзақ уақыт бойы «кідіртіледі» немесе плазмадан мүлде «кете алмайды» (мысалы, Ленгмюр толқындары). Бұл деп аталатын мәселені шешудің жолын табуға мүмкіндік береді. Әлемдегі элементтердің пайда болу теориясындағы «айналып өткен» элементтер. Наиб. Элементтердің шығу тегі туралы жалпы теория бастапқы протондар мен нейтрондар сукцессия арқылы пайда болады деп болжайды. нейтрондарды ұстайды, ал жаңа изотоп нейтрондармен шамадан тыс жүктелгенде, оның электронның эмиссиясымен радиоактивті ыдырауы нәтижесінде жаңа элемент пайда болады. Дегенмен, «айналмалы» элементтер бар (мысалы, литий, бор және т.б.), олардың пайда болуын нейтрондарды ұстаумен түсіндіруге болмайды; олардың шығу тегі зарядтың үдеуіне байланысты болуы мүмкін. бар аймақтардағы бөлшектер жоғары дәрежеплазмалық турбуленттілік және одан кейінгі ядролық реакцияларүдетілген бөлшектер.

Алыстағы объектілердің тиімділігі оптикалық әдістерді қолдану арқылы қашықтағы спектрлік әдістермен зерттеледі. телескоптар, радиотелескоптар, рентген және г-сәулелену диапазонындағы атмосферадан тыс спутниктік телескоптар. Зымырандарға, спутниктерге және ғарыш аппараттарына орнатылған аспаптардың көмегімен. құрылғылары, K. p. параметрлерін тікелей өлшеу диапазоны ішінде тез кеңеюде күн жүйесі. Бұл әдістер зондты, төменгі толқынды және жоғары жиілікті спектрометрді қолдануды қамтиды. өлшемдер, магниттік өлшемдер. және электрлік өрістер (қараңыз плазмалық диагностика).Осылайша радиация табылды. Жердің белдеулері, Жердің магнитосферасының алдындағы соқтығыссыз соққы толқыны, магнитотарлы, Жердің километрлік сәулеленуі, Меркурийден Сатурнға дейінгі планеталардың магнитосфералары және т.б.

Қазіргі заманғы ғарыш технологиясы деп аталатындарды жүзеге асыруға мүмкіндік береді. ғарыштағы белсенді эксперименттер - ғарыш аппараттарына, ең алдымен, Жерге жақын, радио сәулелерімен, заряд сәулелерімен белсенді әсер ету. бөлшектер, плазма шоғырлары және т.б. Бұл әдістер диагностика, табиғатты модельдеу үшін қолданылады. нақты жағдайдағы процестер, табиғаттардың бастамасы. құбылыстар (мысалы, полярлық шамдар).

Космологиядағы К.п. түрлері. covp сәйкес. идеялар, Әлем деп аталатын жерде пайда болды. үлкен жарылыс (үлкен жарылыс). Материяның кеңеюі (кеңейіп жатқан Ғалам) кезінде кеңеюді анықтайтын ауырлық күшінен басқа, өзара әсерлесудің басқа үш түрі (күшті, әлсіз және эл.-магниттік) кеңеюдің әртүрлі кезеңдерінде плазмалық құбылыстарға ықпал етеді. Кеңейтудің ерте кезеңдеріне тән өте жоғары жылдамдықтарда, мысалы, W + - және Z 0 -бозондар сияқты бөлшектер, әлсіз өзара әрекеттесу,фотондар сияқты массасыз болды (эл.-магнит. және әлсіз әрекеттесу). Бұл дегеніміз, ол ұзақ қашықтықты болды, Кром аналогы өз-өзіне тұрақты эл.-магнит. алаң болды Жас - Миллс алаңы.Осылайша, заттың бүкіл лептондық компоненті плазмалық күйде болды. Барын ескере отырып стандартты үлгікету уақыты қатынасы тжәне термодинамикалық тепе-теңдіктегі заттың температуралары Т:т(c)1/Т 2 . (MeV-дегі жылдамдық-па), k-poro кезінде мұндай лептон плазмасының болған уақытын бағалауға болады. Температурада Т, Z 0 бозонының тыныштық энергиясына жақындау мз 2 100 ГэВ-тен (тиісті уақыт т 10 -10 с), бірге жүреді симметрияның өздігінен бұзылуыәлсіз және эл.-маг. W + үшін массалардың пайда болуына әкелетін өзара әрекеттесулер - және Z 0 -бозондар, олардан кейін тек зарядталғандар ғана алыс қашықтықтағы күштердің - электромагниттік күштердің көмегімен әрекеттеседі.

Мұндай жоғары температурада заттың адрондық (қатты әрекеттесетін) компоненті де плазмалық күйде болады, деп аталады. кварклюон плазмасы.Мұнда кварктардың арасында массасы жоқ глюондық өрістер де жүзеге асырылады. Ыстық кварк-глюон плазмасының тығыздықтарында ( ПТ 3) қараңыз. элементар бөлшектер арасындағы қашықтық 10 -13 см - нуклонның радиусы (бір уақытта Т 100 МэВ) кварк-глюондық плазма өте қолайлы және соқтығыссыз болуы мүмкін. Ғаламның одан әрі салқындауы кезінде, уақыт ішінде т 10 -4 с температура төмендейді Т 100 МэВ (тыныштық энергиясы - мезондар), жаңа фазалық ауысу жүреді: кварк-глюондық плазма - адрондық (10 -13 см әсерлесу радиусы бар қысқа қашықтықтағы әрекеттесумен сипатталады). Бұл зат тұрақты нуклондардан және тез ыдырайтын адрондардан тұрады. К.-ның жалпы жағдайы келесі кезеңдегі зарядпен анықталады. лептон (негізінен электрон-позитрон) компоненті, өйткені жалпы барион зарядының лептонға қатынасы Әлемде сақталады және бұл қатынастың өзі өте аз (10 -9). Нәтижесінде, аз уақытқа ( т 1 в) K. p. ультрарелятивистік және негізінен электронды-позитронды. Уақыт нүктесінде т 1 электрон-позитрондық плазманың темп-памен 1 МэВ және одан төмен төмендейді, ал электрон-позитронның интенсивті аннигиляциясы басталады, содан кейін К.п. баяу заманауи жақындады. күйі, құрамының аздаған өзгерісі элементар бөлшектер.

Лит.:Пикельнер С.Б., Ғарыштық электродинамика негіздері, 2-бас., М., 1966; Akasofu S.I., Chapman S., Solar-errest

Жартылай иондалған газ) ғарыш кеңістігінде және оны мекендейтін объектілер. Ғарыштық плазма Ғалам дүниеге келгеннен кейінгі алғашқы микросекундтарда пайда болды үлкен жарылысжәне қазіргі кезде табиғаттағы материяның ең кең тараған күйі болып табылады, ол Әлемнің массасының 95% құрайды (қара материя мен қараңғы энергияны қоспағанда, табиғаты әлі белгісіз). Заттың температурасы мен тығыздығына байланысты қасиеттері және зерттеу бағыттары бойынша ғарыш плазмасын келесі түрлерге бөлуге болады: кварк-глюондық (ядролық), галактикалық (галактикалар плазмасы және галактикалық ядролар), жұлдыздық (жұлдыздардың плазмасы мен жұлдызды атмосфера), планетааралық және магнитосфералық. Ғарыштық плазма тепе-теңдік және тепе-теңдік емес күйде болуы мүмкін, ол идеалды және идеалды емес болуы мүмкін.

Ғарыштық плазманың пайда болуы. Үлкен жарылыс теориясына сәйкес, 13,7 миллиард жыл бұрын Ғалам материясы өте аз көлемде шоғырланған және үлкен тығыздыққа (5 ​​10 91 г/см 3) және температураға (10 32 К) ие болды. Ғаламның кеңеюінің ерте кезеңдеріне тән өте жоғары температурада әлсіз әсерлесуге жауапты W ± - және Z 0 -бозондары сияқты бөлшектер фотондар (электромагниттік және электромагниттік симметрия) сияқты массасыз болды. әлсіз өзара әрекеттесу). Бұл әлсіз өзара әрекеттесу ұзаққа созылатын және өздігінен тұрақты электроның аналогы болғанын білдіреді магнит өрісіөз-өзіне сәйкес келетін Ян-Миллс кен орны болды. Осылайша, әлсіз және электромагниттік әсерлесуге қатысатын заттың бүкіл лептондық компоненті плазмалық күйде болды. Т-де электромагниттік және әлсіз әсерлесудің ыдырауы< 10 15 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 >10 14 г/см 3 , энергиясы > 0,1 ГэВ және бөлшектер арасындағы орташа қашықтық 10 -13 см-ден әлдеқайда аз, мұндай плазма идеалды және соқтығыспайтын болуы мүмкін (бөлшектердің орташа еркін жолы жүйенің сипаттамалық өлшемдерінен әлдеқайда үлкен) . Суыған сайын кварктар адрондарға топтаса бастады (адронизация, кваркадрондық фазалық ауысу). Адрондар дәуіріндегі негізгі процестер гамма кванттар арқылы бөлшек-антибөлшек жұптарын құру және олардың кейіннен аннигиляциясы болды. Адрон дәуірінің аяғында температура 10 12 К-қа дейін және заттың тығыздығы 10 14 г/см 3 дейін төмендеген кезде адрон-антиадрон жұптарының түзілуі мүмкін болмай, олардың аннигиляциясы мен ыдырауы жалғасты. Алайда фотон энергиясы лептон-антилептон жұптарының тууы үшін жеткілікті болды (лептон дәуірі).

Үлкен жарылыстың басынан 1 секундтан кейін нуклеосинтез реакциялары басталып, қазіргі ғарыш плазмасының түзілуі орын алды. Сәулеленудің жоғары тығыздығы мен температурасы бейтарап атомдардың пайда болуына мүмкіндік бермеді; зат плазма күйінде болды. Үлкен жарылыстан 300 мың жыл өткен соң, шамамен 4000 К температураға дейін салқындаған кезде протондар мен электрондар сутегі, дейтерий және гелий атомдарына қосыла бастады, ал сәулелену затпен әрекеттесуін тоқтатты. Фотондар еркін тарала бастады. Олар енді тепе-теңдік микротолқынды фон сәулеленуі (реликтік сәулелену) түрінде байқалады. 150 миллионнан кейін - Үлкен жарылыстан кейін 1 миллиард жылдан кейін галактикалардың алғашқы жұлдыздары, квазарлары, галактикалары, шоғырлары мен суперкластерлері пайда болды. Сутегі жұлдыздар мен квазарлардың жарығымен галактикалық және жұлдыздық плазманың пайда болуымен қайта ионданды. 9 миллиард жылдан кейін жұлдыз аралық бұлт пайда болып, Күн жүйесі мен Жердің пайда болуына әкелді.

Ғарыштық плазманың түрлері.Жұлдыздық ядролардың плазмасын және айналмалы плазманың төменгі қабаттарын қоспағанда, ғарыштық плазма соқтығыспайды. Нәтижесінде плазманың ғарыштық таралу функциялары жиі ерекшеленеді классикалық бөлуМаксвелл, яғни олар зарядталған бөлшектердің шоқтарына сәйкес келетін шыңдарға ие болуы мүмкін. Соқтығыссыз плазма протондар мен электрондардың температуралары әртүрлі болатын тепе-теңдіксіз күймен сипатталады. Соқтығыссыз ғарыштық плазмадағы тепе-теңдік соқтығыстар арқылы емес, зарядталған плазма бөлшектерінің ұжымдық қозғалысына сәйкес келетін электромагниттік толқындардың қозуы арқылы орнатылады. Толқындардың түрлері сыртқы магниттік және электрлік өрістерге, плазма мен өрістердің конфигурациясына байланысты.

Ғарыш объектілерінің тепе-теңдіксіз сәулеленуінің күші тепе-теңдік сәулелену қуатынан әлдеқайда көп болуы мүмкін, ал спектр планктік емес. Тепе-теңдіксіз сәулеленудің көздері, мысалы, квазарлар мен радиогалактикалар. Олардың эмиссиясында ғарыштық магнит өрістерінде таралатын релятивистік электрондар немесе күшті иондалған плазма ағындарының лақтырылуы (ағындары) маңызды рөл атқарады. Жерге жақын магнитосфералық плазманың тепе-теңсіздігі зарядталған бөлшектердің сәулелерінің генерациясында да көрінеді, бұл Жерден километрлік толқын ұзындығы диапазонында радио сәулеленуге әкеледі. Тепе-теңдіксіз плазма құбылыстары толқындық пакеттердің пайда болуына және ғарыш плазмасында көп масштабты плазмалық турбуленттіліктердің пайда болуына әкеледі.

Галактикалық плазма иондалған газ бен шаңнан тұратын протожұлдызды бұлттардың құлауынан пайда болған жас галактикаларда тығызырақ. Галактикадағы жұлдыздық және жұлдызаралық материяның жалпы санының қатынасы эволюцияға қарай өзгереді: жұлдыздар жұлдызаралық диффузиялық материядан пайда болады және эволюциялық жолының соңында олар жұлдызаралық кеңістікке заттың бір бөлігін ғана қайтарады; оның бір бөлігі ақ ергежейлілерде қалады және нейтрондық жұлдыздар, сондай-ақ жасы Ғаламның жасымен салыстыруға болатын баяу дамып келе жатқан массасы аз жұлдыздарда. Осылайша, уақыт өте келе галактикадағы жұлдыз аралық заттың мөлшері азаяды: «ескі» галактикаларда жұлдыз аралық плазманың концентрациясы шамалы.

жұлдызды плазма. Күн сияқты жұлдыздар массивті плазмалық сфералық нысандар болып табылады. Ядродағы термоядролық реакциялар жоғары температураны сақтайды, бұл заттардың термиялық иондануын және оның плазмалық күйге өтуін қамтамасыз етеді. Жоғары плазмалық қысым гидростатикалық тепе-теңдікті сақтайды. Қалыпты жұлдыздардың орталығындағы плазма температурасы 10 9 К жетуі мүмкін. Күн тәжінің плазмасы шамамен 2 10 6 К температураға ие және негізінен магниттік доғаларда, тәжге шығатын күн магнит өрістері жасаған түтіктерде шоғырланған.

Жоғары тығыздыққа қарамастан, жұлдыздық плазма әдетте жоғары температураға байланысты идеалды болып табылады: массасы аз [≥ 0,5 күн массасы (Mʘ)] жұлдыздарда ғана идеалды емес плазмаға байланысты әсерлер пайда болады. Қалыпты жұлдыздардың орталық аймақтарында бөлшектердің орташа еркін жолдары аз, сондықтан олардағы плазма соқтығысқан, тепе-теңдік; жоғарғы қабаттарда (әсіресе хромосферада және тәжде) плазма соқтығыспайды.

Массивті және ықшам жұлдыздарда ғарыштық плазманың тығыздығы қалыпты жұлдыздардың центріне қарағанда бірнеше рет жоғары болуы мүмкін. Осылайша, ақ ергежейлілерде тығыздық соншалықты жоғары, электрондар азғындалған болып шығады (азғын газды қараңыз). Заттың иондануы Ферми энергиясымен анықталатын бөлшектердің үлкен кинетикалық энергиясы есебінен қамтамасыз етіледі; бұл ақ ергежейлілердегі ғарыштық плазманың идеалдылығының себебі. Бұзылған электрон газы жұлдызды тепе-теңдікте ұстап, ауырлық күштеріне қарсы әрекет етеді.

Нейтрондық жұлдыздарда соңғы өнімдер 3 10 14 -2 10 15 г/см3 зат тығыздығы кезінде массасы 1,3-2Mʘ) жұлдыздардың эволюциясы, заттың тығыздығымен салыстырылатын атомдық ядролар, электрондар ғана емес, сонымен қатар нейтрондар да бұзылады. Нейтронды дегенерацияланған газдың қысымы нейтрондық жұлдыздардағы ауырлық күшін теңестіреді. Әдетте нейтронды жұлдыздар – пульсарлар диаметрі 10-20 км, тез айналады және күшті дипольді магнит өрісіне ие (бетінде 10 12 -10 13 гаусс тәртібі). Пульсарлардың магнитосферасы электромагниттік толқындардың сәулелену көзі болып табылатын релятивистік плазмамен толтырылған.

Қазіргі теориялар кварк-глюон плазмасы (кварк немесе оғаш жұлдыздар деп аталатын) ең массивті нейтрондық жұлдыздардың өзектерінде болуы мүмкін деп болжайды. Нейтрондық жұлдыздардың орталықтарындағы материяның жоғары тығыздығы кезінде нейтрондар бір-біріне жақын орналасады (классикалық радиустардың қашықтықта), соның арқасында кварктар материяның бүкіл аймағында еркін қозғала алады. Мұндай затты кварк газы немесе сұйық деп санауға болады.

Планетааралық және магнитосфералық плазма.Айналмалы плазманың күйі, сондай-ақ ол алып жатқан кеңістіктің құрылымы планетаның меншікті магнит өрісінің болуына және оның тәжінде ашық (тұйық емес) магниттік күш сызықтары болатын Күннен қашықтығына байланысты. Күн желі олар арқылы 300-1200 км/с жылдамдықпен өтеді – иондалған бөлшектердің ағыны (протондар, электрондар және гелий ядролары) тығыздығы шамамен 1-10 см -3 . Күннің ішінде ағып жатқан ағымдардан пайда болған планетааралық магнит өрісінің күш сызықтарын күн желінің плазмасына қатып қалған деп санауға болады. Көптеген планеталардың меншікті магнит өрісі, әдетте, табиғи магниттік тұзақтарда планетааралық плазманы және энергиялық күн бөлшектерін ұстауға ықпал ететін дипольді пішінге ие. Планетаның магнит өрісінің айналасындағы күн желінің ағыны планетаның магнитосферасының пайда болуына әкеледі - күн желінің плазмасы мен планеталық шыққан плазмамен толтырылған қуыс.

Күн желінің дыбыстан жоғары ағыны Жердің магнит өрісін оның центрінен 13-17 Жер радиусы қашықтықта ағып өткенде, соқтығыспайтын соққы толқыны пайда болады, онда күн желінің плазмасы баяулайды, ол қызады және тығыздығы мен амплитудасы. магнит өрісінің ұлғаюы. Ғаламшарға жақын жерде магнитопауза – магнитосфера шекарасы орналасқан, мұнда күн желінің плазмасының динамикалық қысымы Жердің магнит өрісінің қысымымен теңестіріледі. Жердің магнитосферасы күндізгі ағынның жағынан қысылып, түнгі бағытта қатты созылып, кометаның құйрығына ұқсайды (магнитосфералық құйрық деп аталады).

Магнит өрісінің шамасына қарай планеталардың магнитосфералары басқа құрылымға ие болуы мүмкін, ол неғұрлым жинақы болса, планетаның меншікті магнит өрісі соғұрлым аз болады. Жердің магнитосферасына бөлшектердің тығыздығы 10 2 -10 6 см -3 болатын ионосфера (60 км және одан жоғары биіктіктегі атмосфераның жоғарғы қабаты, мұнда күннің қысқа толқынды радиациясының әсерінен плазма қатты ионданған) жатады. тығыздығы шамамен 10 7 см -3 жердің радиациялық белдеулері, Жердің бірнеше радиусына дейінгі қашықтықтағы 10 2 -10 4 см -3 ретті тығыздығы бар плазмафера және магнитосфералық құйрық плазмасы орташа тығыздығы 1 см.

Күн желінің плазмасы магнитосфераға магнит өрісінің «ашық» сызықтары (полярлық шыңдар) аймағында, магнитопаузадағы жер және планетааралық магнит өрістерінің қайта қосылу аймақтарында, магнитогидродинамикалық (МГД) әсерлер мен плазманың әсерінен енеді. тұрақсыздықтар. Магнитосфераға енген плазманың бір бөлігі планетаның радиациялық белдеулерін және магнитосфералық құйрықтың плазмалық қабатын толықтырады. Плазманың магнитосфераға енуі және оның атмосфера мен ионосфераның жоғарғы қабаттарына жауын-шашыны полярлық сәулелердің пайда болуының себебі болып табылады.

Күн жүйесіндегі планеталардың барлығында дерлік магнитосфералар бар. Жер мен алып планеталардың (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) меншікті магнит өрісі ең күшті, Марста ең әлсіз магнит өрісі бар, Венера мен Айдың өз магнит өрісі іс жүзінде жоқ. Планеталардың магнитосфералық плазмасы соқтығыспайды. Мұндай плазмадағы энергиялар мен моменттегі релаксация әртүрлі тербелістер мен толқындардың қозуы арқылы жүреді. Жердің магниттік құйрығы плазмасында термодинамикалық тепе-теңдік жоқ: электрон температурасы ион температурасынан 3-8 есе төмен.

Планеталық магнитосфералар өте құбылмалы, ол планетааралық магнит өрісінің өзгермелілігімен және магнитопаузадағы магнит өрісінің сызықтарының қайта қосылуы нәтижесінде күн желінен магнитосфераға келетін энергия ағынымен байланысты. Ең күшті магнитосфералық бұзылулар - магниттік дауылдаркезінде плазмалық бұлттардың Жерге келуімен байланысты қуатты шығарындыларкүн тәжінен алынған плазма.

Ғарыштық плазманы зерттеу әдістері.Алыстағы объектілердің ғарыштық плазмасы оптикалық телескоптар, радиотелескоптар, атмосферадан тыс рентгендік және гамма-сәулелік телескоптар арқылы қашықтағы спектрлік әдістермен зерттеледі. Зымырандарға, спутниктерге және ғарыш аппараттарына орнатылған аспаптардың көмегімен күн жүйесі шегінде ғарыш плазмасының параметрлерін тікелей өлшеулер саны (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер және басқа планеталарды зерттеу) қарқынды түрде кеңеюде. Зерттеу әдістеріне зондты өлшеулерді, толқындық төмен және жоғары жиілікті спектрометрияны, магниттік және электрлік өрістерді өлшеуді қолдану жатады. Жердің радиациялық белдеулері, күн желі, Жер магнитосферасының соқтығыссыз соққы толқыны, магнит құйрығы, полярлық полярлық сәулелер, Жердің километрлік радиациясы және т.б. зерттеулер жүргізілуде. Заманауи ғарыштық технологиялар ғарышта белсенді эксперименттер деп аталатындарды жүргізуге мүмкіндік береді - Жерге жақын ғарыш плазмасына радио сәулеленумен, зарядталған бөлшектер сәулелерімен, плазмалық шоғырлармен және т.б. белсенді әсер ету. Бұл әдістер нақты жағдайларда табиғи процестерді диагностикалау және модельдеу үшін қолданылады.

Жер жағдайында релятивистік ауыр иондардың соқтығысқан шоқтары арқылы коллайдерлерде кварк-глюондық плазманы зерттеу мүмкін болды [CERN, Швейцария; RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), АҚШ].

Ғарыштық плазма магнитогидродинамикалық толқындардың болуымен сипатталады, олар үлкен амплитудаларда қатты сызықты емес және солитондар немесе соққы толқындар пішінін қабылдай алады. Жалпы теорияәлі сызықтық емес толқындар жоқ. Төмен амплитудалы толқындар мәселесі күйдің плазмалық теңдеулерін сызықтандыру әдісімен толығымен шешілген. Соқтығысқан кеңістік плазмасын сипаттау үшін әдетте MHD жуықтауы қолданылады (Магнитогидродинамика бөлімін қараңыз). Соқтығыссыз кеңістік плазмасындағы толқындардың таралуы және шағын масштабты құрылымдар электромагниттік өрістер мен плазма үшін Власов-Максвелл теңдеулерінің жүйесімен сипатталады. Алайда зарядталған бөлшектердің жылулық қозғалысы шамалы және жүйенің масштабтары Лармор радиусымен салыстырғанда үлкен болған кезде (магниттік өрістегі зарядталған бөлшектердің айналуының сипаттамалық шкаласы) соқтығыспайтын плазмада MHD жуықтауы да қолданылады.

Лит.: Akasofu S.I., Chapman S. Күн-жер физикасы. М., 1974-1975 жж. 1-2 тарау; Alven H. Ғарыштық плазма. М., 1983; Зеленый Л.М. Жердің магниттік құйрығындағы плазма және магнит өрістерінің динамикасы.Итоги Науки и Техника. Сер. Ғарышты зерттеу. М., 1986; Астрономия: XXI ғасыр / В.Г.Сурдин өңдеген. Фрязино, 2007; Хокинг С. Қысқа оқиғауақыт: Үлкен жарылыстан қара тесіктерге дейін. СПб., 2008 ж.

Л.М.Зелёны, Х.В.Малова.

Қараша айында ХҒС-тағы плазмалық кристалдық эксперименттің тоқтатылуы туралы хабарланды. Экспериментке арналған арнайы жабдық «Альберт Эйнштейн» жүк кемесіне орналастырылып, онымен жоғарыда өртенді. Тыңық мұхит. Осылайша, мүмкін ең әйгілі ғарыштық эксперименттің ұзақ тарихы аяқталды. Мен бұл туралы айтып, жалпы ХҒС туралы ғылым туралы аздап айтқым келеді.

Ашулар қайда?

Эксперимент идеясы

Тәжірибенің бірінші нұсқасында (суретте) шаң басқан плазма Күн сәулелерімен жарықтандырылды, плазмадағы шаң лазермен жарықтандырылды, жарықтандырылған аймақ камерамен түсірілді. Кейінірек күрделірек эксперименттік қондырғылар қолданылды. «Альберт Эйнштейнмен» бірге өртенген «қара бөшке» үшінші буын қондырғысы болды.

нәтижелер

перспективалары

• Шаңды плазмада бірегей қасиеттері бар наноматериалдардың түзілуі.
• Шаңды плазмадан материалдарды субстратқа тұндыру және жабындардың жаңа түрлерін алу - көп қабатты, кеуекті, композиттік.
• Өнеркәсіптік және радиациялық шығарындылардан ауаны тазарту және микросұлбаларды плазмалық ою кезінде.
• Жансыз заттарды плазмалық зарарсыздандыру және тірі жандардың ашық жаралары.