Experimentujte s plazmou vo vesmíre. Plazmové kryštály: od vesmírneho výskumu po medicínske aplikácie na Zemi a späť do vesmíru Plazmové experimenty

Od začiatku 90. rokov 20. storočia začala čoraz viac priťahovať takzvaná prachová plazma, ktorá sa od bežnej plazmy odlišuje prítomnosťou relatívne veľkých (v porovnaní s veľkosťou iónov) mikročastíc-prachových zŕn s priemerom 10 až 100 nanometrov. záujem medzi fyzikmi. Záujem vedcov vznikol mimovoľne, keďže prach v plazme výrazne kazil jemné technologické procesy plazmového leptania používaného pri výrobe mikročipov. Hĺbková štúdia problému ukázala, že podobne nabité mikročastice v prúde plazmy sa na rozdiel od intuície a fyzikálnych zákonov nerozptyľujú do strán, ale sa k sebe priťahujú, vytvárajú veľké hrudky a znečisťujú čistotu spracovania. .

Podrobnejšie štúdium problému - experimenty na zemi a v podmienkach mikrogravitácie na palube International vesmírna stanica, počítačové modelovanie- viedol výskumníkov k záveru, že prašná plazma v prúdoch plazmy je veľmi zvláštny stav hmoty. Jednou z najdôležitejších vlastností tohto stavu sú silné procesy disipácie, ktoré v ňom neustále prebiehajú, t.j. výmeny energie s vonkajším prostredím, ktoré zabezpečujú tvorbu samoorganizujúcich sa štruktúr. V tomto prípade toky plazmy a elektrické polia vytvárajú pre prach veľmi špecifické podmienky, ktoré zabezpečujú priťahovanie podobne nabitých prachových častíc na veľké vzdialenosti. Za vhodných podmienok sa prirodzeným dôsledkom týchto procesov môže stať tvorba stabilných „kryštálov prachu“ v plazme.

Experimenty tohto druhu v gravitačných podmienkach zvyčajne vedú k vytvoreniu plochých kryštálov vo forme mriežky vírivých konvekčných buniek s pravidelnou štruktúrou. V experimentoch s počítačovými simuláciami simulujúcimi neprítomnosť gravitácie však plochý vír nadobúda valcový tvar a prachové častice, ktoré ho tvoria, sa môžu samoorganizovať do štruktúr jednoduchej alebo dvojitej špirály. Nevšimnúť si tu podobnosť s DNA je samozrejme dosť ťažké. A v lete 2007 bola v New Journal of Physics, online medzinárodnej publikácii, ktorá si rýchlo získala popularitu a autoritu, publikovaná veľmi diskutabilná práca o súčasných výsledkoch v štúdiu prachových kryštálov plazmy. Článok pripravil jeden z patriarchov plazmovej fyziky, akademik Vadim N. Tsytovič a skupina jeho kolegov z ústavov v Rusku, Nemecku a Austrálii a jeho výsledky dospeli k záveru, že štruktúry veľmi podobné anorganickému životu boli objavil.

Vedci najmä zistili, že určité podmienky prostredia, ktoré sa nachádzajú všade vo vesmíre, môžu viesť k samotvorbe špirálových štruktúr z častíc prašnej plazmy. Súčasne sú v niektorých z týchto štruktúr zaznamenané takzvané polomerové bifurkácie; náhle sa meniace prechody z jedného polomeru skrutky do druhého a späť, čo poskytuje mechanizmus na ukladanie informácií z hľadiska dĺžky a polomeru špirálových sekcií. A čo viac, v niektorých počítačových simuláciách sa špirála rozdelila na dve časti, čím sa efektívne replikovala. V iných experimentoch dve špirály spôsobili štrukturálne zmeny v sebe a niektoré špirály dokonca ukázali evolúciu, ktorá sa časom premenila na stabilnejšie štruktúry ...

VESMÍRNA PLAZMA

VESMÍRNA PLAZMA

- plazma vo vesmíre priestor a priestor predmety. Kozmický priestor možno podmienečne rozdeliť podľa predmetov skúmania: cirkumplanetárny, medziplanetárny, plazma hviezd a hviezdnych atmosfér, plazma kvazarov a galaxií. jadrá, medzihviezdne a medzigalaktické. plazma. Uvedené typy K. p. sa líšia svojimi parametrami (porovnaj s hustotami P, porov. energie častíc a pod.), ako aj stavy: termodynamicky rovnovážne, čiastočne alebo úplne nerovnovážne.

Medziplanetárna kozmická loď Stav cirkuplanetárnej plazmy, ako aj štruktúra priestoru, ktorý zaberá, závisí od prítomnosti jej vlastného magnetického poľa. polia planéty a jej vzdialenosť od Slnka. Magn. planéty výrazne zväčšuje oblasť zadržania cirkuplanetárnej plazmy, ktorá tvorí prirodzenú magnetické pasce. Preto je oblasť ohraničenia cirkumplanetárnej plazmy nehomogénna. Veľkú úlohu pri tvorbe cirkuplanetárnej plazmy zohrávajú toky slnečnej plazmy pohybujúce sa takmer radiálne od Slnka (tzv. slnečný vietor), hustoty to-rykh klesajú so vzdialenosťou od Slnka. Priame merania hustoty častíc slnečného vetra v blízkosti Zeme pomocou kozmickej lode. zariadenia udávajú hodnoty P(1-10) cm-3. Plazma v blízkozemskom priestore. priestor sa zvyčajne delí na plazmu ionosféra, majúce P do 10 5 cm -3 vo výškach 350 km, plazm radiačné pásy Zem ( P 107 cm-3) a Zemská magnetosféra až niekoľko polomery Zeme rozširuje tzv. plazmová sféra, hustota P 102 cm-3.

Vlastnosť plazmového vrchu. ionosféra, žiarenie pásy a magnetosféra v tom, že je bezkolízna, teda časopriestorové stupnice vlny a kmitajú. procesy v ňom sú oveľa menej kolízne. Uvoľnenie energií a hybnosti neprebieha v dôsledku zrážok, ale prostredníctvom kolektívnych stupňov voľnosti plazmy – oscilácií a vĺn. V plazme tohto typu spravidla neexistuje žiadna termodynamika rovnováha, najmä medzi elektronickými a iónovými komponentmi. Rýchlo tečúce v nich napr. ráz, sú determinované aj budením kmitov a vĺn malého rozsahu. Charakteristickým príkladom je ten bezkolízny, ktorý vzniká, keď slnečný vietor obteká zemskú magnetosféru.

Star K. p. Slnko možno tiež považovať za obrovské zhluky K. p. s hustotou neustále rastúcou od ext. časti do stredu: koróna, chromosféra, fotosféra, konvektívna zóna, jadro. V tzv. normálne hviezdy vysoké teploty poskytujú tepelné. ionizácia hmoty a jej prechod do stavu plazmy. Vysoká plazma podporuje hydrostatické. rovnováha. Max. vypočítaná hustota K. p. v strede normálnych hviezd P 10 24 cm -3, teplota do 10 9 K. Napriek vysokým hustotám je tu plazma zvyčajne ideálna kvôli vysokým teplotám; len u hviezd s nízkou hmotnosťou (0,5 hmotnosti Slnka) sa prejavujú efekty spojené s neideálnou plazmou. Do centra. v oblastiach normálnych hviezd sú dĺžky voľných dráh častíc malé, takže plazma v nich je zrážková, rovnovážna; navrchol. vrstiev, najmä chromosféry a koróny, je plazma bezzrážková. (Tieto modely výpočtu sú založené na rovniciach magnetická hydrodynamika.)

V masívnych a kompaktných hviezdach môže byť hustota C. p. niekoľkonásobná. rádovo vyššie ako v strede normálnych hviezd. Áno, v bielych trpaslíkov hustota je taká vysoká, že sa elektróny ukážu ako degenerované (pozri obr. degenerovaný plyn). Ionizácia látky je zabezpečená vďaka veľkej hodnote kinetiky. energia častíc, stanovená fermi-energia;. to je aj dôvod ideality CP u bielych trpaslíkov. Statické rovnováha je zabezpečená Fermiho tlakom degenerovaných elektrónov plazmy. Ešte vyššie hustoty hmoty vznikajúcej v neutrónové hviezdy ach, viesť k degenerácii nielen elektrónov, ale aj nukleónov. Neutrónové hviezdy sú kompaktné hviezdy s priemerom 20 km a hmotnosťou 1 M. Pulzary sa vyznačujú rýchlou rotáciou (ktorá hrá dôležitú úlohu v mechanickej rovnováhe hviezdy) a magnetickým. pole dipólového typu (10 12 G na povrchu) a magn. os nie je nevyhnutne rovnaká ako os otáčania. Pulzary majú magnetosféru vyplnenú relativistickou plazmou, ktorá je zdrojom elektromagnetického žiarenia. vlny.

Rozsah teplôt a hustôt K. p. je obrovský. Na obr. schematicky znázorňuje rozmanitosť typov plazmy a ich približnú polohu na diagrame teploty a hustoty. Ako je možné vidieť z diagramu, postupnosť znižovania hustoty kozmického žiarenia je približne nasledovná: hviezdna plazma, cirkumplanetárna plazma, kvazar a galaktická plazma. jadrá, medziplanetárnu plazmu, medzihviezdnu a medzigalaktickú. plazma. S výnimkou plazmy jadier hviezd a nižších. vrstvy cirkuplanetárnej plazmy, C. p. je bezkolízny. Preto je často termodynamicky nerovnovážne a funkcie distribúcie nábojov, z ktorých sa skladá. častice z hľadiska rýchlostí a energií sú ďaleko od maxwellovských. Najmä môžu obsahovať píky zodpovedajúce lúče náboja. častice, byť anizotropné, najmä v magn. priestor polia a pod.Takato plazma sa "zbavuje" nerovnovážneho stavu nie zrážkami, ale najviac. rýchlou cestou - prostredníctvom budenia e-mag. vibrácie a vlny (pozri bezkolízne rázové vlny). To vedie k tomu, že kozmické žiarenie. objektov obsahujúcich bezkolíznu plazmu, ďaleko presahuje silu rovnovážneho žiarenia a výrazne sa líši od Planckovho žiarenia. Príkladom je kvasary, to-roe a v rádiu a optickom. rozsah je nerovnovážny. A to aj napriek nejednoznačnosti teoretickej interpretácii pozorovaného žiarenia všetky teórie poukazujú na dôležitosť úlohy relativistických tokov elektrónov šíriacich sa na pozadí hlavnej plazmy.

DR. zdroj nerovnovážneho rádiového vyžarovania - rádiové galaxie, veľkosť to-raže je oveľa väčšia ako galaxie viditeľné v optike. rozsah. Tu tiež zohrávajú dôležitú úlohu relativistické elektróny vyvrhnuté z galaxií a šíriace sa na pozadí plazmy obklopujúcej galaxiu. Nerovnováha magnetosférickej plazmy, ktorá sa prejavuje aj prítomnosťou nábojových lúčov. častice, vedie k kilometrovému rádiovému vyžarovaniu Zeme.

Klasifikácia typov plazmy: GR - plazma s plynovým výbojom; MHD - plazma v magnetohydrodynamických generátoroch; TYAP-M - plazma v termonukleárnych magnetických pascoch; TYAP-L - plazma pod laserom termonukleárna fúzia: EGM - v kovoch; EHP - elektrón-dierová plazma v polovodičoch; BK - degenerovaný elektrón u bielych trpaslíkov; I - plazma ionosféry; SW - plazma slnečného vetra; SC - slnečná korónová plazma; C - plazma v strede Slnka; MP - plazma v magnetosférach pulzarov.

Nerovnovážne plazmové javy tiež vedú k tomu, že plazma nielen silne vyžaruje, ale stáva sa aj turbulentnou v dôsledku toho, že určitá typy excitovaných vĺn a kmitov sa v plazme buď dlhodobo „oneskorujú“, alebo nedokážu plazmu „opustiť“ vôbec (napríklad Langmuirove vlny). To umožňuje nájsť spôsob, ako vyriešiť problém tzv. „obchádzané“ prvky v teórii pôvodu prvkov vo Vesmíre. Naíb. spoločná teória pôvodu prvkov naznačuje, že z pôvodných protónov a neutrónov vznikajú postupnosťou. zachytávajú neutróny a keď je nový izotop preťažený neutrónmi, tak následkom jeho rádioaktívneho rozpadu s emisiou elektrónu vzniká nový prvok. Existujú však „obídené“ prvky (napríklad lítium, bór atď.), ktorých vznik nemožno vysvetliť záchytom neutrónov; ich vznik možno súvisí so zrýchlením náboja. častice v oblastiach s vysoký stupeň plazmové turbulencie a následné jadrové reakcie zrýchlené častice.

Efektívnosť vzdialených objektov sa študuje vzdialenými spektrálnymi metódami pomocou optických metód. teleskopy, rádioteleskopy, extraatmosférické satelitné teleskopy v oblasti röntgenového žiarenia a žiarenia g. S pomocou prístrojov inštalovaných na raketách, satelitoch a kozmických lodiach. prístrojov sa v rámci rapídne rozširuje rozsah priamych meraní parametrov K. p slnečná sústava. Tieto metódy zahŕňajú použitie sondy, nízkofrekvenčnej a vysokofrekvenčnej spektrometrie. merania, magnetické merania. a elektrické polia (pozri diagnostika plazmy). Tak bolo objavené žiarenie. pásy Zeme, bezkolízna rázová vlna pred zemskou magnetosférou, magnetotail, kilometrové žiarenie Zeme, magnetosféry planét od Merkúra po Saturn a pod.

Moderné priestor technológia umožňuje vykonávať tzv. aktívne experimenty vo vesmíre - aktívne ovplyvňovať vesmírnu loď, predovšetkým blízkozemskú, rádiovými emisiami, nábojovými lúčmi. častice, plazmové zväzky a pod. Tieto metódy sa využívajú na diagnostiku, modelovanie prírody. procesy v reálnych podmienkach, iniciácia prirodzen. javy (napr. polárne svetlá).

Typy K. p. v kozmológii. Podľa covp. ideí, Vesmír vznikol v tzv. veľký tresk (veľký tresk). Počas rozpínania hmoty (rozpínajúceho sa vesmíru) sa na plazmových javoch v rôznych štádiách rozpínania podieľajú okrem gravitácie, ktorá určuje rozpínanie, aj ďalšie tri typy interakcií (silná, slabá a el.-magnetická). Extrémne vysokými rýchlosťami, ktoré sú typické pre počiatočné štádiá expanzie, sú častice ako napríklad W + - a Z 0 -bozóny zodpovedné za slabé interakcie, boli bezhmotné, ako fotóny (el.-magnet. a slabé interakcie). To znamená, že išlo o diaľkový, v Krom analógii samokonzistentného el.-magnetu. pole bolo Mladý - Mlynské pole. Celá leptónová zložka hmoty bola teda v plazmatickom stave. Vzhľadom na existujúce štandardný model vzťah času odchodu t a teploty termodynamicky rovnovážnej látky T:t(c)1/T 2 . (rýchlosť-pa v MeV), možno odhadnúť čas, počas ktorého k-poro takáto leptónová plazma existovala. Pri temp-pax T, blížiace sa k pokojovej energii bozónu Z 0 mz od 2 100 GeV (zodpovedajúci čas t 10 -10 s), vyskytuje sa s spontánne narušenie symetrie slabý a el.-mag. interakcie, čo vedie k vzniku hmotností pre W + - a Z 0 -bozóny, po ktorých interagujú len nabité pomocou iba diaľkových síl - elektromagnetických.

Hadrónová (silne interagujúca) zložka hmoty pri takýchto vysokých teplotách je tiež v akomsi plazmatickom stave, tzv. kvarkgluónová plazma. Tu medzi kvarkami sa uskutočňujú aj bezhmotné gluónové polia. Pri hustotách horúcej kvark-gluónovej plazmy ( PT 3) z porov. vzdialenosť medzi elementárnymi časticami 10-13 cm - polomer nukleónu (súčasne T 100 MeV) kvark-gluónová plazma je ideálna a môže byť bezzrážková. S ďalším ochladzovaním Vesmíru, keď v priebehu času t 10 -4 s teplota klesne na T 100 MeV (pokojová energia - mezóny), nastáva nový fázový prechod: kvark-gluónová plazma - hadrónová (charakterizovaná interakciou krátkeho dosahu s interakčným polomerom 10 -13 cm). Táto hmota pozostáva zo stabilných nukleónov a rýchlo sa rozpadajúcich hadrónov. Všeobecný stav K. p. v nasledujúcom období určuje poplatok. leptónová (hlavne elektrón-pozitrónová) zložka, keďže pomer celkového baryónového náboja k leptónovému je vo vesmíre zachovaný a tento pomer samotný je veľmi malý (10 -9). Výsledkom je, že na malé časy ( t 1 c) K. p. je ultrarelativistický a hlavne elektrón-pozitrónový. V danom čase t 1 s poklesom temp-pa elektrón-pozitrónovej plazmy na 1 MeV a nižšie, pričom začína intenzívna anihilácia elektrón-pozitrónu, po ktorej sa K.p. pomaly približuje k moderne. stav, malá zmena v zložení elementárne častice.

Lit.: Pikelner S. B., Základy vesmírnej elektrodynamiky, 2. vydanie, M., 1966; Akasofu S.I., Chapman S., Slnečné pozemné

Čiastočne ionizovaný plyn) vo vesmíre a objekty, ktoré ho obývajú. Kozmická plazma vznikla v prvých mikrosekundách po narodení vesmíru veľký tresk a je teraz najbežnejším stavom hmoty v prírode, ktorý predstavuje 95% hmotnosti vesmíru (okrem temnej hmoty a temnej energie, ktorej povaha je stále neznáma). Podľa vlastností, ktoré závisia od teploty a hustoty hmoty a podľa smerov výskumu možno vesmírnu plazmu rozdeliť na tieto typy: kvark-gluónová (jadrová), galaktická (plazma galaxií a galaktické jadrá), hviezdne (plazma hviezd a hviezdnych atmosfér), medziplanetárne a magnetosférické. Vesmírna plazma môže byť v rovnovážnom aj nerovnovážnom stave, môže byť ideálna aj neideálna.

Vznik vesmírnej plazmy. Podľa teórie veľkého tresku bola hmota vesmíru pred 13,7 miliardami rokov sústredená vo veľmi malom objeme a mala obrovskú hustotu (5 10 91 g/cm 3) a teplotu (10 32 K). Pri extrémne vysokých teplotách, charakteristických pre rané štádiá expanzie vesmíru, častice, ako napríklad W ± - a Z 0 - bozóny zodpovedné za slabú interakciu, boli bez hmotnosti, rovnako ako fotóny (symetria elektromagnetického a slabé interakcie). To znamená, že slabá interakcia bola dlhodobá a bola analógom samokonzistentného elektro magnetické pole bolo samostatné pole Yang-Mills. Celá leptónová zložka hmoty, ktorá sa podieľa na slabých a elektromagnetických interakciách, bola teda v plazmovom stave. Rozpad elektroslabej interakcie na elektromagnetickú a slabú pri T< 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 g/cm 3 , energie > 0,1 GeV a priemerné vzdialenosti medzi časticami oveľa menšie ako 10 -13 cm, takáto plazma môže byť ideálna a bezkolízna (stredná voľná dráha častíc je oveľa väčšia ako charakteristické rozmery systému) . Po ochladení sa kvarky začali združovať do hadrónov (hadronizácia, fázový prechod kvarkadrónov). Hlavnými procesmi v ére hadrónov bolo vytváranie párov častica-antičastica pomocou gama kvánt a ich následná anihilácia. Na konci hadrónovej éry, keď teplota klesla na 10 12 K a hustota hmoty na 10 14 g/cm 3, bola produkcia hadrón-antihadrónových párov nemožná a pokračovala ich anihilácia a rozpad. Fotónová energia však postačovala na zrodenie párov leptón-antileptón (doba leptónov).

Po 1 s od začiatku Veľkého tresku sa začali reakcie nukleosyntézy a došlo k vzniku modernej vesmírnej plazmy. Vysoká hustota a teplota žiarenia neumožňovala vznik neutrálnych atómov; hmota bola v stave plazmy. 300 tisíc rokov po veľkom tresku, keď sa ochladili na teplotu asi 4000 K, protóny a elektróny sa začali spájať do atómov vodíka, deutéria a hélia a žiarenie prestalo interagovať s hmotou. Fotóny sa začali voľne šíriť. Teraz sú pozorované vo forme rovnovážneho mikrovlnného žiarenia pozadia (reliktné žiarenie). Po 150 miliónoch - 1 miliarde rokov po Veľkom tresku vznikli prvé hviezdy, kvazary, galaxie, kopy a nadkopy galaxií. Vodík bol znovu ionizovaný svetlom hviezd a kvazarov za vzniku galaktickej a hviezdnej plazmy. Po 9 miliardách rokov sa vytvoril medzihviezdny oblak, ktorý dal vznik slnečnej sústave a Zemi.

Druhy vesmírnej plazmy. S výnimkou plazmy hviezdnych jadier a spodných vrstiev cirkumpanetárnej plazmy je kozmická plazma bezzrážková. V dôsledku toho sa funkcie distribúcie vesmírnej plazmy často líšia klasická distribúcia Maxwell, t.j. môžu mať píky zodpovedajúce lúčom nabitých častíc. Bezkolízna plazma sa vyznačuje nerovnovážnym stavom, v ktorom sú teploty protónov a elektrónov rozdielne. Rovnováha v bezkolíznej kozmickej plazme nie je nastolená kolíziami, ale excitáciou elektromagnetických vĺn, v súlade s kolektívnym pohybom nabitých častíc plazmy. Typy vĺn závisia od vonkajších magnetických a elektrických polí, od konfigurácie plazmy a polí.

Sila nerovnovážneho žiarenia vesmírnych objektov môže byť oveľa väčšia ako sila rovnovážneho žiarenia a spektrum je neplanckovské. Zdrojmi nerovnovážneho žiarenia sú napríklad kvazary a rádiové galaxie. Dôležitú úlohu pri ich emisii zohrávajú ejekcie (výtrysky) prúdov relativistických elektrónov alebo silne ionizovanej plazmy šíriace sa v kozmických magnetických poliach. Nerovnováha magnetosférickej plazmy v blízkosti Zeme sa prejavuje aj generovaním zväzkov nabitých častíc, čo vedie k rádiovej emisii zo Zeme v rozsahu kilometrových vlnových dĺžok. Nerovnovážne javy plazmy vedú ku generovaniu vlnových balíkov a objaveniu sa viacrozmerných plazmových turbulencií vo vesmírnej plazme.

Galaktická plazma je hustejšia v mladých galaxiách vytvorených z kolabujúcich protohviezdnych oblakov ionizovaného plynu a prachu. Pomer celkového množstva hviezdnej a medzihviezdnej hmoty v galaxii sa s vývojom mení: hviezdy vznikajú z medzihviezdnej difúznej hmoty a na konci svojej evolučnej cesty vracajú do medzihviezdneho priestoru len časť hmoty; časť zostáva v bielych trpaslíkoch a neutrónové hviezdy, ako aj v pomaly sa vyvíjajúcich hviezdach s nízkou hmotnosťou, ktorých vek je porovnateľný s vekom vesmíru. Časom teda množstvo medzihviezdnej hmoty v galaxii klesá: v „starých“ galaxiách je koncentrácia medzihviezdnej plazmy zanedbateľná.

hviezdna plazma. Hviezdy ako Slnko sú masívne plazmové sférické objekty. Termonukleárne reakcie v jadre udržujú vysoké teploty, ktoré zabezpečujú tepelnú ionizáciu hmoty a jej prechod do plazmového stavu. Vysoký plazmový tlak udržuje hydrostatickú rovnováhu. Teplota plazmy v strede normálnych hviezd môže dosiahnuť 10 9 K. Plazma slnečnej koróny má teplotu asi 2 10 6 K a je sústredená najmä v magnetických oblúkoch, trubiciach vytvorených slnečnými magnetickými poľami vystupujúcimi do koróny.

Napriek vysokým hustotám je hviezdna plazma zvyčajne ideálna kvôli vysokým teplotám: iba u hviezd s nízkou hmotnosťou [ ≥ 0,5 hmotnosti Slnka (Mʘ)] sa objavujú efekty spojené s neideálnou plazmou. V centrálnych oblastiach normálnych hviezd sú stredné voľné dráhy častíc malé, takže plazma v nich je zrážková, rovnovážna; v horných vrstvách (najmä v chromosfére a koróne) je plazma bezzrážková.

V masívnych a kompaktných hviezdach môže byť hustota kozmickej plazmy o niekoľko rádov vyššia ako v strede normálnych hviezd. U bielych trpaslíkov je teda hustota taká vysoká, že sa ukáže, že elektróny sú degenerované (pozri Degenerovaný plyn). Ionizácia hmoty je zabezpečená vďaka veľkej kinetickej energii častíc, ktorá je určená Fermiho energiou; je tiež príčinou ideality kozmickej plazmy u bielych trpaslíkov. Degenerovaný elektrónový plyn pôsobí proti silám gravitácie a udržuje hviezdu v rovnováhe.

V neutrónových hviezdach konečné produkty vývoj hviezd s hmotnosťou 1,3-2Mʘ) pri hustotách hmoty 3 10 14 -2 10 15 g/cm3, porovnateľných s hustotou hmoty v r. atómové jadrá, nielen elektróny, ale aj neutróny degenerujú. Tlak neutrónového degenerovaného plynu vyrovnáva gravitačnú silu v neutrónových hviezdach. Neutrónové hviezdy - pulzary - majú spravidla priemer 10-20 km, rýchlo rotujú a majú silné magnetické pole dipólového typu (rádovo 10 12 - 10 13 gaussov na povrchu). Magnetosféra pulzarov je vyplnená relativistickou plazmou, ktorá je zdrojom žiarenia elektromagnetických vĺn.

Moderné teórie naznačujú, že v jadrách najhmotnejších neutrónových hviezd môže existovať kvark-gluónová plazma (takzvané kvarkové alebo podivné hviezdy). Pri vysokých hustotách hmoty v centrách neutrónových hviezd sa neutróny nachádzajú blízko seba (vo vzdialenosti klasických polomerov), vďaka čomu sa kvarky môžu voľne pohybovať po celej oblasti hmoty. Takáto hmota môže byť považovaná za kvarkový plyn alebo kvapalinu.

Medziplanetárna a magnetosférická plazma. Stav cirkuplanetárnej plazmy, ako aj štruktúra priestoru, ktorý zaberá, závisí od prítomnosti vlastného magnetického poľa planéty a jej vzdialenosti od Slnka, v koróne ktorého sú otvorené (nie uzavreté) magnetické siločiary. Preteká nimi slnečný vietor rýchlosťou 300-1200 km/s - prúd ionizovaných častíc (protónov, elektrónov a jadier hélia) s hustotou asi 1-10 cm -3. Siločiary medziplanetárneho magnetického poľa vytvorené prúdmi prúdiacimi vo vnútri Slnka možno považovať za zamrznuté v plazme slnečného vetra. Vnútorné magnetické pole väčšiny planét má spravidla dipólový tvar, čo prispieva k zachytávaniu medziplanetárnej plazmy a energetických slnečných častíc v prirodzených magnetických pasciach. Prúdenie slnečného vetra okolo magnetického poľa planéty vedie k vytvoreniu magnetosféry planéty - dutiny vyplnenej plazmou slnečného vetra a plazmou planetárneho pôvodu.

Keď nadzvukové prúdenie slnečného vetra obteká magnetické pole Zeme vo vzdialenosti 13-17 polomerov Zeme od jej stredu, vzniká bezkolízna rázová vlna, na ktorej sa plazma slnečného vetra spomaľuje, ohrieva a hustota a amplitúda nárastu magnetického poľa. Bližšie k planéte je magnetopauza – hranica magnetosféry, kde je dynamický tlak plazmy slnečného vetra vyvážený tlakom magnetického poľa Zeme. Zemská magnetosféra je zo strany dopadajúceho prúdenia na dennej strane stlačená a v nočnom smere silne pretiahnutá, pripomínajúc chvost kométy (tzv. magnetosférický chvost).

V závislosti od veľkosti magnetického poľa môžu mať magnetosféry planét rôznu štruktúru, ktorá je tým kompaktnejšia, čím menšie je vlastné magnetické pole planéty. Magnetosféra Zeme zahŕňa ionosféru (horná atmosféra vo výškach 60 km a viac, kde je plazma silne ionizovaná pôsobením slnečného krátkovlnného žiarenia) s hustotou častíc 10 2 -10 6 cm -3, plazma tzv. radiačné pásy Zeme s hustotou asi 10 7 cm -3, plazmosféra s hustotou rádovo 10 2 -10 4 cm -3 vo vzdialenostiach do niekoľkých polomerov Zeme a plazma magnetosférického chvosta s priemerná hustota rádovo 1 cm.

Plazma slnečného vetra preniká do magnetosféry v oblasti „otvorených“ magnetických siločiar (polárnych hrotov), ​​v oblastiach prepájania pozemských a medziplanetárnych magnetických polí v magnetopauze vplyvom magnetohydrodynamických (MHD) efektov a plazmy. nestability. Časť plazmy, ktorá prenikla do magnetosféry, dopĺňa radiačné pásy planéty a vrstvu plazmy magnetosférického chvosta. Prenikanie plazmy do magnetosféry a jej vyzrážanie do vyšších vrstiev atmosféry a ionosféry sú príčinou polárnych žiaroviek.

Takmer všetky planéty v slnečnej sústave majú magnetosféry. Zem a obrie planéty (Jupiter, Saturn, Urán, Neptún) majú najsilnejšie vlastné magnetické polia, Mars má najslabšie magnetické pole, Venuša a Mesiac prakticky žiadne vlastné magnetické pole. Magnetosférická plazma planét je bezkolízna. K uvoľneniu energií a hybnosti v takejto plazme dochádza prostredníctvom excitácie rôznych kmitov a vĺn. V plazme zemského magnetotailu neexistuje termodynamická rovnováha: teplota elektrónov je 3-8 krát nižšia ako teplota iónov.

Planetárne magnetosféry sú veľmi variabilné, čo súvisí s premenlivosťou medziplanetárneho magnetického poľa a energetického toku prichádzajúceho zo slnečného vetra do magnetosféry v dôsledku prepájania magnetických siločiar pri magnetopauze. Najsilnejšie magnetosférické poruchy - magnetické búrky spojené s príchodom plazmových oblakov na Zem pri silné emisie plazma zo slnečnej koróny.

Metódy štúdia vesmírnej plazmy. Vesmírna plazma vzdialených objektov sa študuje diaľkovými spektrálnymi metódami pomocou optických ďalekohľadov, rádioteleskopov, mimoatmosférických röntgenových a gama ďalekohľadov. Pomocou prístrojov inštalovaných na raketách, satelitoch a kozmických lodiach sa rýchlo rozširuje počet priamych meraní parametrov vesmírnej plazmy v rámci slnečnej sústavy (štúdie Merkúra, Venuše, Marsu, Jupitera a ďalších planét). Metódy výskumu zahŕňajú využitie sondových meraní, vlnovú nízko a vysokofrekvenčnú spektrometriu, merania magnetických a elektrických polí. Prebieha výskum radiačných pásov Zeme, slnečného vetra, bezkolíznej rázovej vlny zemskej magnetosféry, magnetotailu, polárnych polárnych žiar, kilometrového žiarenia Zeme atď. Moderné vesmírne technológie umožňujú vykonávať takzvané aktívne experimenty vo vesmíre - aktívne ovplyvňovať blízkozemskú vesmírnu plazmu rádiovým vyžarovaním, lúčmi nabitých častíc, zväzkami plazmy atď. Tieto metódy sa používajú na diagnostiku a simuláciu prírodných procesov v reálnych podmienkach.

V pozemských podmienkach bolo možné študovať kvark-gluónovú plazmu na zrážačoch zrážaním zväzkov relativistických ťažkých iónov [CERN, Švajčiarsko; RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), USA].

Kozmickú plazmu charakterizuje existencia magnetohydrodynamických vĺn, ktoré sú pri veľkých amplitúdach silne nelineárne a môžu mať podobu solitónov alebo rázových vĺn. Všeobecná teória zatiaľ neexistujú žiadne nelineárne vlny. Problém vĺn s nízkou amplitúdou je úplne vyriešený metódou linearizácie stavových rovníc plazmy. Na opis kolíznej priestorovej plazmy sa zvyčajne používa aproximácia MHD (pozri Magnetohydrodynamika). Šírenie vĺn a malé štruktúry v bezkolíznej vesmírnej plazme sú opísané sústavami Vlasovových-Maxwellových rovníc pre elektromagnetické polia a plazmu. Keď je však tepelný pohyb nabitých častíc nevýznamný a mierky systému sú veľké v porovnaní s Larmorovým polomerom (charakteristická stupnica rotácie nabitých častíc v magnetickom poli), aproximácia MHD sa používa aj v bezzrážkovej plazme.

Lit .: Akasofu S.I., Chapman S. Slnečná a zemská fyzika. M., 1974-1975. kap.1-2; Alven H. Kozmická plazma. M., 1983; Zeleny L.M. Dynamika plazmy a magnetických polí v magnetotaile Zeme. Itogi Nauki i Tekhniki. Ser. Prieskum vesmíru. M., 1986; Astronómia: XXI. storočie / Edited by V. G. Surdin. Fryazino, 2007; Hawking S. Krátky príbehčas: od Veľkého tresku po čierne diery. SPb., 2008.

L. M. Zelyony, H. V. Malová.

V novembri bolo oznámené ukončenie experimentu Plasma Crystal na ISS. Špeciálne vybavenie pre experiment bolo umiestnené v nákladnej lodi „Albert Einstein“ a spálené s ním hore Tichý oceán. Tak sa skončila dlhá história azda najznámejšieho vesmírneho experimentu. Chcem o tom hovoriť a hovoriť trochu o vede na ISS vo všeobecnosti.

Kde sú objavy?

Nápad na experiment

V prvej verzii experimentu (na obrázku) bola prašná plazma osvetlená lúčmi Slnka, prach v plazme bol osvetľovaný laserom a osvetlená oblasť bola snímaná kamerou. Následne boli použité zložitejšie experimentálne nastavenia. „Čierny sud“, ktorý zhorel spolu s „Albertom Einsteinom“, bol už inštaláciou tretej generácie.

výsledky

vyhliadky

• Tvorba nanomateriálov s jedinečnými vlastnosťami v prašnej plazme.
• Nanášanie materiálov z prašnej plazmy na substrát a získavanie nových typov povlakov – viacvrstvové, porézne, kompozitné.
• Čistenie vzduchu od priemyselných a radiačných emisií a pri plazmovom leptaní mikroobvodov.
• Plazmová sterilizácia neživých predmetov a otvorených rán na živých bytostiach.