25.09.2017, 17:30

В океане плазмы: четвертое состояние вещества

Большая часть материи во Вселенной находится в «четвертом состоянии вещества». Но так было не всегда.

Тэги:

Астрономия

В океане плазмы: четвертое состояние вещества

Основное прибежище плазмы на нашей планете — ионосфера. За ее пределами плазма порождается в ходе некоторых природных процессов (например, грозовых разрядов), а также во время работы научных и бытовых приборов и технологических установок (например, дуговых сварочных аппаратов). Ионы имеются даже в пламени обычной спички, но их концентрация составляет ничтожные доли процента, поэтому о настоящей плазме тут не может быть и речи. Зато во Вселенной плазменное состояние обычной (не темной) материи отнюдь не редкость, а самая что ни на есть норма. Космос — это настоящий океан плазмы, она буквально везде — от звездных недр и окрестностей до практически пустого межзвездного пространства.

Новорожденная Вселенная

В последние годы астрофизики и космологи пришли к единой точке зрения относительно того, что происходило в нашей Вселенной, когда ее возраст перешел за одну микросекунду (более ранние события все еще служат предметом дискуссий). В это время случилась так называемая Великая Аннигиляция тогда еще свободных кварковых частиц, которая уничтожила все антикварки, однако пощадила возникший до этого мизерный избыток кварков. К тому времени, когда возраст мироздания достиг 10 микросекунд, кварки слились в тройки (порождая барионы – протоны и нейтроны) и пары (нестабильные мезоны, в основном пионы). На каждый барион приходилось около миллиарда высокоэнергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла порядка 4 триллионов градусов. На десятой микросекунде Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой чудовищной плотности (порядка 100 миллионов тонн на кубический сантиметр), состоящей в основном из высокоэнергетичных лептонов – электронов и позитронов, порождаемых из-за высокой температуры гамма-квантами. По сей причине эту фазу ранней истории Вселенной называют лептонной эрой (а предшествующую ей – кварковой). Размер наблюдаемой Вселенной тогда был меньше сотни астрономических единиц, то есть сильно уступал размерам современной Солнечной системы.

Лептонная эра продолжалась до тех пор, пока гамма-квантам хватало энергии для порождения электронов и позитронов. По мере расширения Вселенной температура фотонного газа постоянно снижалась и достигла 10 миллиардов градусов, когда возраст Мироздания составлял примерно одну секунду. Образование пар (во все в меньшем и меньшем количестве) продолжалось за счет «горячего хвоста» фотонного спектра, однако спустя несколько секунд, когда температура фотонов спустилась ниже 4 миллиардов градусов, оно полностью прекратилось. К моменту, когда Вселенной исполнилось 10 секунд, лептонная эра уже ушла в прошлое, оставив после себя очень горячую плазму плотностью 5 кг/см3, преимущественно состоящую из фотонов. Началась новая космическая эра, когда плотность электромагнитного излучения превышала плотность вещества. Эту эру так и называют – радиационной.

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.

Начало нуклеосинтеза

В истории Мироздания очень важна трехминутная отметка. На этой стадии впервые появилась возможность формирования составных ядер – конкретно, ядер дейтерия (протон плюс нейтрон). Энергия связи такого ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре в 25 миллиардов градусов. Температура упала до этой величины, когда Вселенной было всего четверть секунды. Можно подумать, что дейтерий начал образовываться уже тогда, но такой вывод будет ошибочным. Электромагнитное излучение Вселенной еще долго содержало достаточно горячих фотонов, которые разбивали новорожденные ядра дейтерия. Дейтерий смог «выжить», лишь когда доля фотонов с энергией более 2,2 МэВ сократилась до одной миллиардной (общее число фотонов в полтора миллиарда раз превышало число подлежащих объединению барионов!). Это произошло, когда возраст Вселенной достиг одной минуты, а еще через две минуты процесс синтеза дейтерия пошел в полную силу. Новорожденные ядра этого изотопа принялись присоединять по одному протону и одному нейтрону (в любом порядке) — так появились альфа-частицы, ядра гелия. Этот процесс занял всего несколько минут и охватил практически все нейтроны (очень небольшая их часть пошла на непереработанный в гелиевом синтезе дейтерий, гелий-3 и литий-7). Исходное соотношение числа протонов и нейтронов равнялось 7:1, и каждая новая альфа-частица оставляла после себя 12 незадействованных протонов. Так космическое пространство оказалось заполненным ядрами водорода (75% общей массы) и гелия (25%). В наше время эти показатели равны 74% и 24% — оставшиеся 2% приходятся на более тяжелые элементы, порожденные процессами звездного нуклеосинтеза.

При синтезе гелия выделяется изрядная энергия (за счет этого горят звезды и взрываются водородные бомбы). Всего за несколько минут во вселенской термоядерной печи сгорело в 100 раз больше водорода, чем потом во всех звездах нашей Вселенной. Однако при этом ничего особенного не произошло – Вселенная лишь немного нагрелась, после чего продолжала остывать в ходе дальнейшего расширения. Поскольку потепление охватило весь объем космоса, оно не породило компактных областей горячего сжатого газа в более холодной и разреженной среде, которые возникают при детонации любого заряда (хоть химического, хоть атомного). Таким образом, гигантское выделение энергии в ходе первичного нуклеосинтеза практически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, это же можно сказать и о двух еще более сильных прогревах Космоса во время аннигиляции кварков и антикварков, а затем электронов и позитронов).

Реликтовое излучение

Первичный нуклеосинтез вновь преобразовал состав горячей плазмы юной Вселенной. А вот потом в течение 400 тысяч лет она не претерпевала никаких качественных превращений. Все это время, во‑первых, остывал радиационный фон, причем весьма быстро, пропорционально четвертой степени растущего линейного размера Вселенной. Во‑вторых, уменьшалась плотность и обычной, и темной материи, но несколько медленней (как третья степень). Плотность фотонной энергии падала быстрее, поскольку растяжение пространства не только рассеивало кванты по все большему и большему объему, но и увеличивало длины их волн, тем самым снижая частоты. Когда Вселенной стукнуло 57 тысяч лет, плотность лучевой энергии сравнялась с плотностью энергии частиц, а потом начала от нее отставать – наступил конец радиационной эры.

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.

Каким тогда казался бы Космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал? Когда Вселенной стукнуло 50 тысяч лет, она вперые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого реликтовые фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам — рентгеновскими). К 200 тысячам лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 тысяч лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным. В возрасте 5 миллионов лет температура Вселенной упала до 600 К, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону, и в космическом пространстве настала беспросветная тьма. Она начала рассеиваться лишь после появления самых первых звезд, где-то через 200 миллионов лет после Большого взрыва.

Но что же все-таки произошло через 400 (точнее, 380) тысяч лет после Большого взрыва? Несколькими десятками тысяч лет ранее электроны начали объединяться с ядрами. Сначала альфа-частицы присоединяли к себе по единственному электрону, и превращались в однократно ионизированные атомы, а затем и по второму, так что получались нейтральные атомы гелия. Позднее это же случилось и с протонами, которые положили начало атомам водорода. Подобные слияния стали возможными потому, что в лучевом фоне сократилось количество фотонов с энергией больше энергии ионизации атомов гелия и водорода. Процесс рекомбинации растянулся на 80 тысяч лет и практически завершился, когда температура фотонного фона упала ниже 3000 К. Повторилась трансформация, имевшая место в односекундной Вселенной – тогда пространство стало прозрачным для нейтрино, а теперь – для квантов электромагнитного излучения. Остывшие фотоны уже не могли рассеиваться на нейтральных атомах и, как некогда нейтрино, отправились в беспрепятственное путешестие по космосу. Эти реликтовые фотоны, остывшие с тех пор до 2,7 К, мы называем фоновым микроволновым излучением.

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".

Возрождение плазмы

В итоге в космическом пространстве не стало свободных заряженных частиц – то есть плазма, в той или иной форме существовавшая как минимум с микросекундного возраста Вселенной, исчезла! В результате рекомбинации она на многие миллионы лет уступила место нейтральному водородно-гелиевому газу, соседствующему (и взаимодействующему посредством гравитации!) со столь же нейтральными частицами темной материи. Когда Вселенная состарилась до 100 миллионов лет, а температура фонового излучения опустилась до 80 К, темная материя начала стягиваться за счет собственного тяготения во все более и более плотные сгустки. Еще через 100 миллионов лет эти сгустки смогли втягивать в себя частицы космического газа, из которых сформировались коллапсирующие облака, положившие начало первым звездам. Уже предшественники первого поколения таких светил, так называемые протозвезды, возродили плазменное состояние материи, которое с тех пор и доминирует в космосе.