В океані плазми

Велика частина матерії у Всесвіті знаходиться в «четвертому стані речовини». Але так було не завжди.

Основний притулок плазми на нашій планеті — іоносфера. За її межами плазма породжується в ході деяких природних процесів (наприклад, грозових розрядів), а також під час роботи наукових і побутових приладів і технологічних установок (наприклад, дугових зварювальних апаратів). Іони є навіть у полум’ї звичайної сірники, але їх концентрація становить нікчемні частки відсотка, тому про справжню плазму тут не може бути й мови. Зате у Всесвіті плазмовий стан звичайної (не темної) матерії аж ніяк не рідкість, а сама що ні на є норма. Космос — це справжній океан плазми, вона буквально скрізь — від зоряних надр і околиць до практично порожнього міжзоряного простору.

Відважна п’ятіркаП’ять

космічних апаратів місії THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) на витягнутих навколоземних орбітах вивчають основні сховища плазми поблизу нашої планети — магнітосферу та іоносферу Землі, а також їх взаємодії з сонячним вітром. Ці взаємодії викликають появу полярних сяйв і обурення магнітосфери Землі, що призводить до магнітних бурь і виражається в порушеннях радіозв’язку, роботи електронних приладів і систем енергопостачання. Зображення: «Популярна механіка»

В останні роки астрофізики і космологи прийшли до єдиної точки зору щодо того, що відбувалося в нашому Всесвіті, коли його вік перевалив за одну мікросекунду (більш ранні події все ще служать предметом дискусій). У цей час сталася так звана Велика аннігіляція тоді ще вільних кваркових частинок, яка знищила всі антикварки, проте пощадила мізерний надлишок кварків (як і чому це сталося, розказано в «ПМ» № 3, 2010). До того часу, коли вік світобудови досяг 10 мікросекунд, кварки злилися в трійки (породжуючи баріони — протони і нейтрони) і пари (нестабільні мезони, в основному піони). На кожен баріон припадало близько мільярда високоенергетичних фотонів, температура яких у ті часи становила близько 4 трлн градусів. На десятій мікросекунді Всесвіт заповнився надгорячою плазмою жахливої щільності (приблизно 100 млн тонн на кубічний сантиметр), що складається в основному з високоенергетичних лептонів — електронів і позитронів, породжуваних через високу температуру гамма-квантами. З цієї причини цю фазу ранньої історії Всесвіту називають лептонною ерою (а передує їй — кварковою). Розмір спостережуваного Всесвіту тоді був менше сотні астрономічних одиниць, тобто сильно поступався розмірам сучасної Сонячної системи.

П’ять апаратів збудовані в лінію для реєстрації стану різних областей магнітосфери при перезамиканні магнітних ліній. Зображення: «Популярна механіка»

Лептонна ера тривала до тих пір, поки гамма-квантам вистачало енергії для породження електронів і позитронів. У міру розширення Всесвіту температура фотонного газу постійно знижувалася і досягла 10 млрд градусів, коли вік світобудови становив приблизно одну секунду. Утворення пар (у все меншій і меншій кількості) тривало за рахунок «гарячого хвоста» фотонного спектра, проте через кілька секунд, коли температура фотонів спустилася нижче 4 млрд градусів, воно повністю припинилося. До моменту, коли Всесвіту виповнилося 10 секунд, лептонна ера вже пішла в минуле, залишивши після себе дуже гарячу плазму щільністю 5 кг/см³, переважно що складається з фотонів. Почалася нова космічна ера, коли щільність електромагнітного випромінювання перевищувала щільність речовини. Цю еру так і називають — радіаційною.

В історії світобудови дуже важлива трихвилинна позначка. На цій стадії вперше з’явилася можливість формування складових ядер — ядер дейтерію (протон плюс нейтрон). Енергія зв’язку такого ядра дорівнює 2,2 МеВ, що відповідає температурі в 25 млрд градусів, температура впала до цієї величини, коли Всесвіту було всього чверть секунди. Можна подумати, що дейтерій почав утворюватися вже тоді, але такий висновок буде помилковим. Електромагнітне випромінювання Всесвіту ще довго містило достатню кількість гарячих фотонів, які розбивали новонароджені ядра дейтерії. Дейтерій зміг «вижити», лише коли частка фотонів з енергією понад 2,2 МЕВ скоротилася до однієї мільярдної (загальна кількість фотонів у півтора мільярда разів перевищувала число тих, що підлягають об’єднанню баріонів!). Це сталося, коли вік Всесвіту досяг однієї хвилини, а ще через дві хвилини процес синтезу дейтерію пішов на повну силу. Новонароджені ядра цього ізотопу почали приєднувати по одному протону і одному нейтрону (в будь-якому порядку) — так з’явилися альфа-частинки, ядра гелію. Цей процес зайняв всього кілька хвилин і охопив практично всі нейтрони (дуже невелика їх частина пішла на не перероблений в гелієвому синтезі дейтерій, гелій-3 і літій-7). Вихідне співвідношення числа протонів і нейтронів дорівнювало 7:1, і кожна нова альфа-частинка залишала після себе 12 незадіяних протонів. Так космічний простір виявився заповненим ядрами водню (75% загальної маси) і гелію (25%). У наш час ці показники дорівнюють 74% і 24% — решта 2% припадають на більш важкі елементи, породжені процесами зоряного нуклеосинтезу.

Плазма космічних пустот

Хоча зоряна і навколозвірна плазма вносить основний внесок в енергетику Великого космосу, в загальній масі баріонної матерії її частка не перевищує декількох відсотків.

Велика частина баріонної матерії (близько 80%) припадає на заряджені частинки, розсіяні в просторі між галактиками і їх скупченнями. Ще близько 10% становить речовина, що заповнює внутрішньомалактичний простір, яка теж проявляє типові плазмові властивості. «Міжгалактичне середовище за складом надзвичайно просте. Вона переважно складається з одиночних протонів і електронів, але включає частинки гелію і більш важких елементів, — пояснює Еллен Цвейбел, професор астрономії Вісконсинського університету в Медісоні. — Це найрозрідженіша речовина у Всесвіті — на 1 м³ простору не припадає і однієї протонно-електронної пари (поблизу галактик і галактичних кластерів цей показник вище на один-два порядки). Саме тому міжгалактичну плазму важко спостерігати за допомогою астрономічних приладів. Деяку інформацію вдається отримати при вивченні спектрів поглинання фотонів атомами елементів важче водню. Протони та електрони міжгалактичної плазми, як і будь-які заряджені частинки, взаємодіють з космічними магнітними полями. Такі поля точно є поблизу галактик, але досі не відомо, чи існує єдине фонове магнітне поле, що пронизує Всесвіт. Деякі астрофізики вважають, що таке поле існує, хоч ми не розуміємо механізму його виникнення і не в змозі виміряти, оскільки його напруженість дуже мала, менше трильйонної частки тесла. Можливо, це завдання з часом вдасться вирішити, вивчаючи поведінку частинок міжгалактичної плазми «.

Плазма всередині галактик набагато щільніше — в середньому 1 млн частинок на 1 м³, холодніше міжгалактичної і багатше важкими елементами. До її складу входять мікропилинки, яких немає в міжгалактичному середовищі. До того ж міжзоряне газове середовище переважно складається з нейтральних атомів і молекул, концентрація яких може в сотні і тисячі разів перевищувати концентрацію заряджених частинок. Проте таке середовище добре проводить електрику і тому є цілком доброякісною плазмою. Гравітаційні поля стягують частинки міжзоряного газу в газо-пилові хмари, з яких народжуються зірки і планетні системи.

При синтезі гелію виділяється неабияка енергія (за рахунок цього горять зірки і вибухають водневі бомби). Всього за кілька хвилин у вселенській термоядерній печі згоріло в сто разів більше водню, ніж потім у всіх зірках нашого Всесвіту. Однак при цьому нічого особливого не сталося — Всесвіт лише трохи нагрівся, після чого продовжував остигати вході подальшого розширення. Оскільки потепління охопило весь обсяг космосу, воно не породило компактних областей гарячого стисненого газу в більш холодному і розрідженому середовищі, які виникають при детонації будь-якого заряду (хоч хімічного, хоч атомного). Таким чином, гігантське виділення енергії в ході первинного нуклеосинтезу практично не позначилося на еволюції Всесвіту (до речі, те ж саме можна сказати і про два ще більш сильні прогріви космосу під час анігіляції кварків і антикварків, а потім електронів і позитронів).

Первинний нуклеосинтез знову перетворив склад гарячої плазми юного Всесвіту. А ось потім протягом 400 000 років вона не зазнавала ніяких якісних перетворень. Весь цей час, по-перше, остигав радіаційний фон, причому досить швидко, пропорційно четвертому ступеня зростаючого лінійного розміру Всесвіту. По-друге, зменшувалася щільність і звичайної, і темної матерії, але кілька повільніше (як третій ступінь). Щільність фотонної енергії падала швидше, оскільки розтягнення простору не тільки розсіювало кванти по все більшому і більшому обсягу, але і збільшувало довжини їх хвиль, тим самим знижуючи частоти. Коли Всесвіту стукнуло 57 000 років, щільність променевої енергії зрівнялася з щільністю енергії частинок, а потім почала від неї відставати — настав кінець радіаційної ери.

Яким тоді здавався б космос розумному спостерігачеві, якби такий існував? Коли Всесвіту стукнуло 50 000 років, він вперше засвітився видимим для нас блакитним світлом (до цього реліктові фотони були ультрафіолетовими, а ще раніше, коли вік Всесвіту рухався від півтора хвилин до 600 років, — рентгенівськими). До 200 000 років колір фотонного фону змістився від блакитного до жовтого, ще через 200 000 років став помаранчевим, а після досягнення мільйона років зробився темно-червоним. У віці Всесвіту 5 млн років її температура впала до 600 К, практично всі реліктові фотони перейшли в інфрачервону зону і в космічному просторі настала безпросвітна темрява. Вона почала розсіюватися лише після появи найперших зірок, десь через 200 млн років після Великого вибуху.

Відлуння Великого вибуху

Рекомбінація космічної матерії не тільки перевела її з іонізованого стану в нейтральний газ, але і поклала край дуже цікавому явищу — плазмовому звуку. Про це «ПМ» розповів професор Арізонського університету Деніел Айзенстайн.

«Звук у будь-якому газовому середовищі — це коливальний процес, під час якого в ньому поширюються хвилі стиснення і розріження. У повітрі звук переноситься завдяки зіткненням між молекулами газу. У віці космічної плазми 100 000 років кожен кубічний сантиметр простору містив 2000 електронів і менше 200 ядер гелію. Однак у цьому ж обсязі знаходилося приблизно 3 трлн фотонів, які і створювали упруге середовище. Хоча тиск у цьому середовищі був вкрай низьким (одна стотисячна атмосфери), звук у ньому поширювався зі швидкістю майже 60% швидкості світла. У зонах максимуму променевого тиску температура і яскравість фотонного газу зростали, в зонах мінімуму — падали. Оскільки фотони не особливо великих енергій ніяк не помічають присутності один одного, у фотонному газі звукові коливання могли поширюватися лише в присутності заряджених частинок, на які розсіювалися світлові кванти. Після рекомбінації свіжоспечені атоми припинили відчувати тиск світла, а звільнені фотони розлетілися по космічному простору. Існуючі в ті часи коливання щільності фотонного газу законсервувалися до наших днів. Температура реліктових фотонів, що прийшли з різних ділянок небосводу, коливається з амплітудою близько 1/100 000. Ці осциляції і є сліди звукових хвиль, які колись поширювалися у фотонному газі.

Аналіз осциляцій надзвичайно важливий для космології. Звуки в космічній плазмі сходять до неоднорідностей матерії, що виникли протягом першої секунди після Великого вибуху. Тому спектральний аналіз реліктового мікрохвильового випромінювання дає багатющу інформацію про ранню історію Всесвіту. Зображення: «Популярна механіка»

Але що ж сталося через 380 000 років після Великого вибуху? Кількома десятками тисяч років раніше електрони почали об’єднуватися з ядрами. Спочатку альфа-частинки приєднували до себе по єдиному електрону і перетворювалися в одноразово іонізовані атоми, а потім і по другому, так що виходили нейтральні атоми гелію. Пізніше це ж сталося і з протонами, які поклали початок атомам водню. Подібні злиття стали можливими тому, що в променевому тлі скоротилася кількість фотонів з енергією більше енергії іонізації атомів гелію і водню. Процес рекомбінації розтягнувся на 80 000 років і практично завершився, коли температура фотонного фону впала нижче 3000 К. Повторилася трансформація, що мала місце в односекундному Всесвіті: тоді простір став прозорим для нейтрино, а тепер — для квантів електромагнітного випромінювання. Залишливі фотони вже не могли розсіюватися на нейтральних атомах і, як колись нейтрино, вирушили в безперешкодну подорож космосом. Ці реліктові фотони, що охолонули відтоді до 2,7 К, ми називаємо фоновим мікрохвильовим випромінюванням.

Сонячна плазма

У центральній зоні Сонця йдуть реакції термоядерного синтезу. Іонів як таких там немає, елементи представлені голими ядрами і електронами, зануреними в газ з гамма-квантів.

Хоча питома щільність цього середовища десятиразово перевищує щільність свинцю, вона володіє динамічними характеристиками типової плазми.

Деякі ядра пробиваються до поверхні світила, потрапляють у все більш і більш холодні шари і обростають електронними оболонками. Атомам багатоелектронних елементів, що входять до складу сонячної атмосфери, як правило, не вистачає всього одного-двох електронів. Щоправда, у верхніх її шарах, у зоні сонячної корони, де температури вимірюються мільйонами градусів, ступінь іонізації зростає (слід зауважити, що унікальна структура коронального спектру пояснюється присутністю сильно іонізованих атомів заліза).

До складу сонячної атмосфери також входять ядра водню і гелію, негативні іони водню (вони відіграють чималу роль у поглинанні інфрачервоного і видимого світла), і навіть, у найхолодніших ділянках, молекули води і моноокису вуглецю — і, природно, електрони. Так що це багатокомпонентна плазма, в якій відбуваються складні динамічні процеси з неодмінною участю сильних і швидко змінюваних магнітних полів.

На зовнішній межі сонячної атмосфери тяжіння вже не в змозі утримувати частинки плазми, які йдуть у міжпланетний простір і заповнюють його аж до меж геліосфери.

Джерело плазмисячний

вітер — потік частинок плазми — розтікається від Сонця до самих меж сонячної системи (геліосфери), перетворюючи її на плазмовий океан. Зображення: «Популярна механіка»

Цей феномен називається спокійним сонячним вітром. Його склад збігається зі складом плазми корони — це протони і електрони з невеликою добавкою альфа-частинок, іонів кисню, заліза, кремнію і деяких інших елементів.

До спокійного вітру періодично додаються викиди менш щільної, але зате більш нагрітої плазми, породженої потужними корональними обуренням, ці потоки поступово забирають кутовий момент Сонця, зменшуючи швидкість його осьового обертання. Не варто дивуватися, що молоді зірки сонячного типу зазвичай здійснюють повний оборот набагато швидше, ніж наше світило.

У результаті в космічному просторі не стало вільних заряджених частинок — тобто плазма, яка в тій чи іншій формі існувала як мінімум з мікросекундного віку Всесвіту, зникла! В результаті рекомбінації вона на багато мільйонів років поступилася місцем нейтральному воднево-гелієвому газу, що сусідив (і взаємодіяв за допомогою гравітації!) з настільки ж нейтральними частинками темної матерії. Коли Всесвіт зістарився до 100 млн років, а температура фонового випромінювання опустилася до 80 К, темна матерія почала стягуватися за рахунок власного тяжіння у все більш і більш щільні згустки. Ще через 100 млн років ці згустки змогли втягувати в себе частинки космічного газу, з яких сформувалися колапсуючі хмари, що поклали початок першим зіркам. Вже попередники першого покоління таких світил, так звані протозірки, відродили плазмовий стан матерії, який з тих пір і домінує в космосі.

Небесні екстремали

Плазмосфера   Зовнішня

частина іоносфери Землі — це переважно іонізований ультрафіолетовим випромінюванням Сонця водень. Зображення: «Популярна механіка»

Міжзоряний газ відносно спокійний лише далеко від масивних мешканців космічного простору, а в їх околицях він значно нагрівається і знаходить безліч екзотичних властивостей.

«Компактні космічні об’єкти, такі як нейтронні зірки і чорні діри, нерідко мають компаньйонів — звичайні зірки, — пояснює» ПМ «фахівець з теоретичної астрофізики з Прінстонського університету Анатолій Спітковський. — Такий об’єкт своїм гравітаційним тяжінням витягує речовину з атмосфери зірки-сусідки, і навколо неї формується так званий акреційний диск. Температура у внутрішніх зонах такого диска сягає мільйона градусів. Ці області заповнені гарячою плазмою, що обертається, яка видає себе рентгенівським випромінюванням. У цій плазмі виникають магнітні поля, які можуть стати причиною утворення джетів — струменевих викидів плазмових частинок, спрямованих перпендикулярно площині акреційного диска. Ще більш екстремальна плазма існує біля поверхні намагнічених нейтронних зірок, які швидко обертаються. Там є потужні електричні поля, які відривають електрони з поверхні зірки і розганяють їх уздовж закручених силових ліній магнітного поля до енергій близько трильйона електрон-вольт. Рухаючись цими викривленими траєкторіями, електрони випромінюють гамма-кванти, які в сильному магнітному полі породжують електронно-позитронні пари. Таким чином, нейтронна зірка виявляється оточена магнітосферою, що складається з електронів і позитронів «.