Плазменная космология - Plasma cosmology

Ханнес Альфвен предположил, что лабораторные результаты масштабирования могут быть экстраполированы до масштаба Вселенной. Скачок масштабирования в 10 9 раз требовался для экстраполяции на магнитосферу , второй скачок - для экстраполяции к галактическим условиям и третий скачок - для экстраполяции на расстояние Хаббла .

Плазменная космология - нестандартная космология , центральным постулатом которой является то, что динамика ионизированных газов и плазмы играет важную, если не доминирующую, роль в физике Вселенной за пределами Солнечной системы . В отличие от этого , текущие наблюдения и модели из космологов и астрофизиков объяснить формирование, развитие и эволюцию астрономических тел и крупномасштабных структур во Вселенной , как под влиянием силы тяжести ( в том числе его рецептуре Альберта Эйнштейна «с общей теории относительности ) и барионная физика .

Некоторые теоретические концепции о космологии плазмы возникли у Ханнеса Альфвена , который предварительно предложил использовать масштабирование плазмы для экстраполяции результатов лабораторных экспериментов и наблюдений физики плазмы и масштабирования их на многие порядки величины вплоть до крупнейших наблюдаемых объектов во Вселенной (см. Вставку ).

Космологи и астрофизики, которые оценивали космологию плазмы, отвергают ее, потому что она не соответствует наблюдениям за астрофизическими явлениями, а также современной космологической теории. С середины 1990-х годов в литературе появилось очень мало статей, поддерживающих плазменную космологию.

Термин плазменная Вселенная иногда используется как синоним плазменной космологии, как альтернативное описание плазмы во Вселенной.

Космология Альфвена – Клейна

В 1960-х годах теория космологии плазмы была представлена ​​Альфвеном, экспертом по плазме, который в 1970 году получил Нобелевскую премию по физике за свою работу по магнитогидродинамике . В 1971 году шведский физик-теоретик Оскар Кляйн расширил предыдущие предложения и разработал модель Вселенной Альфвена – Клейна , или «метагалактика», более ранний термин, используемый для обозначения эмпирически доступной части Вселенной, а не всей Вселенной. Вселенная, включая части за пределами нашего горизонта частиц . В этой космологии Альфвена – Клейна , иногда называемой космологией Клейна – Альфвена , Вселенная состоит из равных количеств материи и антивещества, причем границы между областями материи и антивещества очерчиваются космическими электромагнитными полями, образованными двойными слоями , тонкие области, содержащие два параллельных слоя с противоположным электрическим зарядом. Взаимодействие между этими граничными областями будет генерировать излучение, и это приведет к образованию плазмы. Альфвен ввел термин « амбиплазма» для обозначения плазмы, состоящей из вещества и антивещества, и, таким образом, двойные слои образованы амбиплазмой. Согласно Альфвену, такая амбиплазма будет относительно долгоживущей, поскольку составляющие частицы и античастицы будут слишком горячими и имеют слишком низкую плотность, чтобы быстро аннигилировать друг друга. Двойные слои будут отражать облака противоположного типа, но объединять облака одного типа, создавая все более крупные области вещества и антивещества. Идея амбиплазмы получила дальнейшее развитие в формах тяжелой амбиплазмы (протоны-антипротоны) и легкой амбиплазмы (электроны-позитроны).

Космология Альфвена – Клейна была предложена частично для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии во Вселенной, исходя из начального условия точной симметрии между материей и антивеществом. Согласно Альфвену и Кляйну, амбиплазма естественным образом образует карманы из материи и антивещества, которые расширяются наружу по мере того, как аннигиляция между материей и антивеществом происходит в двойном слое на границах. Они пришли к выводу, что мы просто должны жить в одном из карманов, который состоял в основном из барионов, а не антибарионов, что объясняет асимметрию барионов. Карманы или пузыри материи или антивещества будут расширяться из-за аннигиляции на границах, что Альфвен рассматривал как возможное объяснение наблюдаемого расширения Вселенной , которое было бы просто локальной фазой гораздо более обширной истории. Альфвен постулировал, что Вселенная существовала всегда из-за аргументов причинности и отказа от моделей ex nihilo , таких как Большой взрыв , как скрытой формы креационизма . Взрывной двойной слой также был предложен Альфвеном как возможный механизм генерации космических лучей , рентгеновских всплесков и гамма-всплесков .

В 1993 году космолог-теоретик Джим Пиблз раскритиковал космологию Альфвена-Клейна, написав, что «нет никакого способа, которым результаты могут быть согласованы с изотропией космического микроволнового фонового излучения и рентгеновского фона ». В своей книге он также показал, что модели Альфвена не предсказывают закон Хаббла , изобилие легких элементов или существование космического микроволнового фона . Еще одна трудность с моделью амбиплазмы состоит в том, что аннигиляция вещества и антивещества приводит к образованию фотонов высокой энергии , которые не наблюдаются в предсказанных количествах. Хотя возможно, что локальная ячейка, в которой «преобладает материя», просто больше, чем наблюдаемая Вселенная , это предположение не поддается наблюдательной проверке.

Плазменная космология и изучение галактик

Ханнес Альфвен с 1960-х по 1980-е годы утверждал, что плазма играет важную, если не доминирующую роль во Вселенной, потому что электромагнитные силы гораздо важнее гравитации при воздействии на межпланетные и межзвездные заряженные частицы . Он также предположил, что они могут способствовать сжатию межзвездных облаков и могут даже составлять основной механизм сжатия, инициирующий звездообразование . Текущая стандартная точка зрения состоит в том, что магнитные поля могут препятствовать коллапсу, что крупномасштабные токи Биркеланда не наблюдались и что масштаб длины для зарядовой нейтральности, по прогнозам, намного меньше, чем соответствующие космологические масштабы.

В 1980-х и 1990-х годах Альфвен и Энтони Ператт , физик плазмы из Лос-Аламосской национальной лаборатории , изложили программу, которую они назвали «плазменная вселенная». В предложениях о плазменной вселенной различные явления физики плазмы были связаны с астрофизическими наблюдениями и использовались для объяснения современных загадок и проблем, возникших в астрофизике в 1980-х и 1990-х годах. На различных форумах Ператт представил то, что он охарактеризовал как альтернативу основным моделям, применяемым в астрофизике и космологии.

Например, Ператт предположил, что основной подход к галактической динамике, основанный на гравитационном моделировании звезд и газа в галактиках с добавлением темной материи, не учитывает, возможно, важный вклад физики плазмы. Он упоминает лабораторные эксперименты Уинстона Х. Бостика в 1950-х годах, в ходе которых были созданы плазменные разряды, похожие на галактики. Перрат провел компьютерное моделирование сталкивающихся плазменных облаков, которые, как он сообщил, также имитировали форму галактик. Ператт предположил, что галактики образовались в результате соединения плазменных нитей в z-пинч , которые начинаются на расстоянии 300 000 световых лет друг от друга и переносят токи Биркеланда силой 10 18 ампер. Ператт также сообщил о проведенном им моделировании, показывающем возникающие струи материала из центральной буферной области, которые он сравнивал с квазарами и активными ядрами галактик, возникающими без сверхмассивных черных дыр . Ператт предложил последовательность эволюции галактик : «переход двойных радиогалактик в радиоквазары к радиотихающим QSO с пекулярными и сейфертовскими галактиками , заканчивающимися спиральными галактиками ». Он также сообщил, что плоские кривые вращения галактик были смоделированы без использования темной материи . В то же время Эрик Лернер , независимый исследователь плазмы и сторонник идей Ператта, предложил плазменную модель квазаров, основанную на фокусе плотной плазмы .

Сравнение с основной астрофизикой

Стандартное астрономическое моделирование и теории пытаются включить всю известную физику в описания и объяснения наблюдаемых явлений, при этом гравитация играет доминирующую роль в самых больших масштабах, а также в небесной механике и динамике . С этой целью оба кеплеровыми орбита и Альбертом Эйнштейн «с общей теория относительности , как правило , используются в качестве базовых структур для моделирования астрофизических систем и формирования структуры , в то время как астрономия высоких энергий и физика частиц в космологии дополнительно обратиться к электромагнитным процессам , включая физику плазмы и перенос излучения для объяснения относительно небольших энергетических процессов, наблюдаемых в рентгеновских и гамма-лучах . Из - за общего заряда нейтральности , физика плазмы не обеспечивает очень дальних взаимодействий в астрофизике , даже в то время как большая часть материи во Вселенной является плазма . (Подробнее см. В разделе " Астрофизическая плазма" .)

Сторонники плазменной космологии заявляют, что электродинамика так же важна, как гравитация, в объяснении структуры Вселенной, и предполагают, что она обеспечивает альтернативное объяснение эволюции галактик и первоначального коллапса межзвездных облаков. В частности, утверждается, что плазменная космология обеспечивает альтернативное объяснение плоских кривых вращения спиральных галактик и устраняет потребность в темной материи в галактиках и потребность в сверхмассивных черных дырах в центрах галактик для питания квазаров и активных ядер галактик . Тем не менее, теоретический анализ показывает, что «многие сценарии генерации зародышевых магнитных полей, которые полагаются на выживание и устойчивость токов в ранние времена [вселенная не одобряются]», то есть токи Биркеланда необходимой величины (10 18 ампер больше масштабов мегапарсеков) для образования галактик не существует. Кроме того, многие из проблем, которые были загадочными в 1980-х и 1990-х годах, в том числе несоответствия, связанные с космическим микроволновым фоном и природой квазаров , были решены с большим количеством доказательств, которые в деталях обеспечивают расстояние и временную шкалу для Вселенной.

Некоторые из мест, в которых сторонники плазменной космологии больше всего расходятся со стандартными объяснениями, включают необходимость того, чтобы их модели производили легкие элементы без нуклеосинтеза Большого взрыва , который в контексте космологии Альфвена-Клейна, как было показано, дает чрезмерное количество X- лучи и гамма-лучи сверх наблюдаемого. Сторонники плазменной космологии выдвинули дополнительные предложения по объяснению распространенности легких элементов, но связанные с этим проблемы не были полностью решены. В 1995 году Эрик Лернер опубликовал свое альтернативное объяснение космического микроволнового фонового излучения (CMBR). Он утверждал, что его модель объясняет верность спектра реликтового излучения спектру черного тела и низкий уровень обнаруженной анизотропии, даже несмотря на то, что уровень изотропии 1:10 5 не объясняется такой точностью никакими альтернативными моделями. Кроме того, чувствительность и разрешающая способность измерения анизотропии реликтового излучения были значительно улучшены WMAP и спутником Planck, а статистика сигнала настолько соответствовала предсказаниям модели Большого взрыва, что реликтовое излучение было объявлено главным подтверждение модели Большого взрыва в ущерб альтернативам. В акустические пики в ранней Вселенной согласуется с высокой точностью предсказаний модели Большого взрыва, и, на сегодняшний день, никогда не была попытка объяснить подробный спектр анизотропию в рамках плазменной космологии или какой - либо другой альтернативы космологическая модель.

Ссылки и примечания

дальнейшее чтение

  • Журнал IEEE Transactions on Plasma Science : специальные выпуски по космосу и космической плазме 1986 , 1989 , 1990 , 1992 , 2000 , 2003 и 2007
  • Журнал Cambridge University Press « Лазеры и пучки частиц : пучки частиц и основные явления в плазменной Вселенной», специальный выпуск в честь 80-летия Ханнеса Альвена, т. 6, выпуск 3, август 1988 г. [5]
  • Разные авторы: "Введение в астрофизику и космологию плазмы" , Astrophysics and Space Science , v. 227 (1995) p. 3–11. Материалы второго международного семинара IEEE по плазменной астрофизике и космологии , проходившего с 10 по 12 мая 1993 года в Принстоне, штат Нью-Джерси

внешние ссылки