В океане плазмы: четвертое состояние вещества

Плазма космических пустот

Хотя звездная и околозвездная плазма вносит основной вклад в энергетику Большого Космоса, в общей массе барионной материи ее доля не превышает нескольких процентов. Большая часть барионной материи (порядка 80%) приходится на заряженные частицы, рассеянные в пространстве между галактиками и их скоплениями (галактическими кластерами). И еще около 10% составляет вещество, заполняющее внутригалактическое пространство, которое тоже проявляет типичные плазменные свойства. 

«Межгалактическая среда по составу чрезвычайно проста. Она преимущественно состоит из одиночных протонов и электронов, но включает частицы гелия и более тяжелых элементов. Это самое разреженное вещество во Вселенной — на кубометр пространства не приходится и одной протонно-электронной пары (вблизи галактик и галактических кластеров этот показатель выше на один-два порядка). Именно поэтому межгалактическую плазму трудно наблюдать с помощью астрономических приборов. Мы знаем, что поскольку ее частицы могут быть источниками рентгеновского излучения, температура ее составляет от ста тысяч до нескольких миллионов градусов. Кое-какую информацию о межгалактической плазме удается получить при изучении спектров поглощения фотонов атомами элементов тяжелее водорода, — объясняет Эллен Цвейбел, профессор астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне. — Протоны и электроны межгалактической плазмы, как и любые заряженные частицы, взаимодействуют с космическими магнитными полями. Такие поля точно имеются вблизи галактик, однако до сих пор не известно, существует ли единое фоновое магнитное поле, пронизывающее всю Вселенную. Оно вроде бы не могло родиться в ходе Большого Взрыва — во всяком случае, такой вывод следует из его общепринятой теоретической модели. Однако некоторые астрофизики полагают, что такое поле существует, хоть мы не понимаем механизма его возникновения и не в состоянии его померять, поскольку напряженность этого поля очень мала, меньше триллионной доли тесла. Возможно, что эту задачу со временем удастся решить, изучая поведение частиц межгалактической плазмы».

Плазма внутри галактик гораздо плотнее — в среднем, миллион частиц на кубометр. Она холоднее межгалактической плазмы и богаче тяжелыми элементами. В ее состав также входят микропылинки, практически отсутствующие в межгалактической среде. Еще одно важное отличие заключается в том, что межзвездная газовая среда преимущественно состоит из нейтральных атомов и молекул, концентрация которых может быть в сотни и даже тысячи раз выше концентрации заряженных частиц. Тем не менее, такая среда хорошо проводит электричество и посему является вполне доброкачественной плазмой. Гравитационные поля могут стягивать частицы межзвездного газа в газо-пылевые облака, из которых рождаются звезды и планетные системы.

Эхо большого взрыва

Рекомбинация космической материи не только перевела ее из ионизированного состояния в нейтральный газ, но и положила конец очень интересному явлению — плазменному звуку. Об этом «ПМ» рассказал профессор астрономии Аризонского университета Дэниэл Айзенстайн.

Звук в любой газовой среде — это колебательный процесс, в ходе которого в ней распространяются волны большей и меньшей плотности, волны сжатия и разрежения. В воздухе звук переносится благодаря столкновениям между молекулами газа. Для того состояния космической плазмы, которое она приобрела через несколько десятков тысяч лет после Большого Взрыва, этот механизм был малоэффективен из-за ничтожной плотности заряженных частиц. Например, в возрасте 100 тысяч лет каждый кубический сантиметр пространства содержал 2 тысячи электронов и меньше двухсот ядер гелия. Однако в этом же объеме находилось приблизительно 3 триллиона фотонов, которые и создавали упругую среду. Хотя давление в этой среде, по нашим понятиям, было крайне низким, всего одна стотысячная атмосферы, звук в ней распространялся с чрезвычайно высокой скоростью, равной почти 60% скорости света. В зонах максимума лучевого давления температура и яркость фотонного газа возрастали, в зонах минимума — падали.

Теперь вспомним, что фотоны не особенно больших энергий никак не замечают присутствия друг друга. Поэтому в фотонном газе звуковые колебания могли распространяться лишь в присутствии заряженных частиц, на которых рассеивались световые кванты. Как только произошла рекомбинация, свежеиспеченные атомы прекратили чувствовать давление света, а освободившиеся фотоны разлетелись по космическому пространству. Существовавшие в те времена колебания плотности фотонного газа законсервировались до наших дней. Как показывают приборы, температура реликтовых фотонов, пришедших из разных участков небосвода, колеблется с амплитудой порядка одной стотысячной. Эти осцилляции и есть следы звуковых волн, некогда распространявшихся в фотонном газе.

Небесные экстремалы

Межзвездный газ относительно спокоен лишь вдалеке от массивных обитателей космического пространства, а в их окрестностях он значительно нагревается и обретает множество экзотических свойств. 

«Компактные космические объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, нередко имеют компаньонов в лице обычных звезд. Такой объект своим гравитационным притяжением вытягивает вещество из атмосферы звезды-соседки, и вокруг него формируется так называемый аккреционный диск. Температура во внутренних зонах такого диска достигает миллиона градусов. Эти области заполнены вращающейся горячей плазмой, которая выдает себя рентгеновским излучением. В этой плазме возникают магнитные поля, которые могут стать причиной образования джетов — струйных выбросов плазменных частиц, направленных перпендикулярно плоскости аккреционного диска, — объясняет «ПМ» специалист по теоретической астрофизике из Принстонского университета Анатолий Спитковский. — Еще более экстремальная плазма существует около поверхности быстро вращающихся намагниченных нейтронных звезд. Там имеются мощные электрические поля, которые отрывают электроны с поверхности звезды и разгоняют их вдоль закрученных силовых линий магнитного поля до энергий порядка триллиона электронвольт. Двигаясь по этим искривленным траекториям, электроны излучают гамма-кванты, которые в сильном магнитном поле порождают электронно-позитронные пары. Таким образом нейтронная звезда оказывается окружена магнитосферой, состоящей из электронов и позитронов».