Плазменная космология - Plasma cosmology

Ханнес Альфвен Предполагается, что масштабирование результаты лабораторных исследований могут быть экстраполированы до масштабов Вселенной. Скачок масштабирования в 10 раз9 требовалось экстраполировать на магнитосфера, второй прыжок для экстраполяции к галактическим условиям и третий прыжок для экстраполяции к галактическим условиям. Расстояние Хаббла.[1]

Плазменная космология это нестандартная космология чей центральный постулат состоит в том, что динамика ионизированных газов и плазма играть важную, если не доминирующую, роль в физике Вселенной за пределами Солнечная система.[2][3] Напротив, нынешний наблюдения и модели из космологи и астрофизики объяснить формирование, развитие и эволюцию астрономические тела и крупномасштабные структуры во Вселенной под влиянием сила тяжести (включая его формулировку в Альберт Эйнштейн с Общая теория относительности ) и барионная физика.[4]

Некоторые теоретические представления о плазменной космологии возникли с Ханнес Альфвен, который ориентировочно[5] предложил использовать плазменное масштабирование экстраполировать результаты лабораторных экспериментов и физика плазмы наблюдения и масштабировать их по многим порядки величины вплоть до самых больших наблюдаемых объектов во Вселенной (см. рамку[1]).

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

Период, термин плазменная вселенная иногда используется как синоним плазменной космологии,[2] как альтернативное описание плазмы во Вселенной.[3]

Космология Альфвена – Клейна

В 1960-х годах теория плазменной космологии была представлена ​​Альфвеном,[6] эксперт по плазме[7] кто выиграл 1970 Нобелевская премия по физике за его работу над магнитогидродинамика (МГД). В 1971 г. Оскар Кляйн Шведский физик-теоретик расширил предыдущие предложения и разработал модель Альфвена – Клейна вселенная,[8] или «метагалактика», более ранний термин, используемый для обозначения эмпирически доступной части Вселенной, а не всей Вселенной, включая части за пределами нашей горизонт частиц.[9][7] В этом Космология Альфвена – Клейнаиногда называют Космология Клейна – АльфвенаВселенная состоит из равного количества материи и антивещество причем границы между областями материи и антивещества очерчиваются космическими электромагнитные поля образована двойные слои, тонкие области, состоящие из двух параллельных слоев с противоположным электрическим зарядом. Взаимодействие между этими граничными областями будет генерировать излучение, и это приведет к образованию плазмы. Альфвен ввел термин амбиплазма для плазмы, состоящей из вещества и антивещества, двойные слои, таким образом, образуются из амбоплазмы. 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).[6]

Космология Альфвена – Клейна была предложена частично для объяснения наблюдаемых барионная асимметрия во Вселенной, начиная с начальное состояние точных симметрия между материей и антивеществом. Согласно Альфвену и Кляйну, амбиплазма естественным образом образует карманы вещества и карманы антивещества, которые будут расширяться наружу по мере того, как аннигиляция между веществом и антивеществом происходит в двойном слое на границах. Они пришли к выводу, что мы, должно быть, живем в одном из карманов, который в основном барионы а не антибарионы, что объясняет асимметрию барионов. Карманы, или пузыри, вещества или антивещества будут расширяться из-за аннигиляции на границах, что Альфвен рассматривал как возможное объяснение наблюдаемого расширение вселенной, что было бы просто локальным этапом гораздо более обширной истории. Альфвен постулировал, что Вселенная существовала всегда. [10][11] из-за причинность аргументы и отказ ex nihilo модели, такие как Большой взрыв, как скрытная форма креационизм.[12][13] Взрывной двойной слой также был предложен Альфвеном как возможный механизм генерации космические лучи,[14] Рентгеновские вспышки и гамма-всплески.[15]

В 1993 году космолог-теоретик Джим Пиблз подверг критике космологию Альфвена – Клейна, написав, что «нет никакого способа, которым результаты могут быть согласованы с изотропией космическое микроволновое фоновое излучение и Рентгеновские фоны ".[16] В своей книге он также показал, что модели Альфвена не предсказывают Закон Хаббла, обилие легких элементов, или наличие космический микроволновый фон. Еще одна трудность с моделью амбиплазмы заключается в том, что вещество-антивещество уничтожение приводит к производству высокой энергии фотоны, которые не соблюдаются в прогнозируемых количествах. Хотя возможно, что локальная ячейка с преобладанием материи 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 намного важнее, чем сила тяжести при воздействии на межпланетные и межзвездные заряженные частицы.[17] Он также предположил, что они могут способствовать сокращению межзвездные облака и может даже представлять собой основной механизм сокращения, инициируя звездообразование.[18] Текущее стандартное мнение состоит в том, что магнитные поля могут препятствовать коллапсу, этому крупномасштабному Биркеланд течения не наблюдались, и прогнозируется, что масштаб длины для нейтральности заряда будет намного меньше, чем соответствующие космологические масштабы.[19]

В 1980-х и 1990-х годах Альфвен и Энтони Ператт, физик плазмы в Лос-Аламосская национальная лаборатория, изложил программу, которую они назвали «плазменная вселенная».[20][21][22] В предложениях о плазменной вселенной различные явления физики плазмы были связаны с астрофизическими наблюдениями и использовались для объяснения сохранившихся 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.[21][22][23][11]

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 Уинстон Х. Бостик в 1950-х годах, которые создали плазменные разряды, похожие на галактики.[24][25] Перрат провел компьютерное моделирование сталкивающихся плазменных облаков, которые, как он сообщил, также имитировали форму галактик.[26] Ператт предположил, что галактики образовались за счет соединения плазменных нитей в z-щепотка, волокна, начинающиеся на расстоянии 300 000 световых лет друг от друга и несущие Биркеланд течения из 1018 амперы.[27][28] Ператт также сообщил о проведенном им моделировании, показывающем возникающие струи материала из центральной буферной области, которые он сравнивал с квазары и активные галактические ядра происходит без сверхмассивные черные дыры. Ператт предложил последовательность для эволюция галактики: "переход двойного радиогалактики к радиоквазары для радиотихания QSO со своеобразными и Сейфертовские галактики, наконец заканчивая спиральные галактики ".[29] Он также сообщил, что квартира кривые вращения галактики были смоделированы без темная материя.[27][сомнительный – обсуждать] В то же время Эрик Лернер, независимый исследователь плазмы и сторонник идей Ператта, предложил модель плазмы для квазаров на основе фокус плотной плазмы.[30]

Сравнение с основной астрофизикой

Стандартное астрономическое моделирование и теории пытаются объединить все известные физика в описания и объяснения наблюдаемых явлений, с сила тяжести играя доминирующую роль в крупных масштабах, а также в небесная механика и динамика. С этой целью оба Кеплеровский орбиты и Альберт Эйнштейн с Общая теория относительности обычно используются в качестве основы для моделирования астрофизических систем и формирование структуры, пока астрономия высоких энергий и физика элементарных частиц в космологии дополнительно обратиться к электромагнитный процессы, включая физику плазмы и перенос излучения для объяснения относительно мелкомасштабных энергетических процессов, наблюдаемых в рентгеновские лучи и гамма излучение. Из-за общего нейтралитет заряда, физика плазмы не обеспечивает очень дальнодействующих взаимодействий в астрофизике, даже если большая часть материи во Вселенной плазма.[31] (Видеть астрофизическая плазма для большего.)

Сторонники плазменной космологии заявляют, что электродинамика так же важна, как и гравитация, в объяснении структуры Вселенной, и предполагают, что она обеспечивает альтернативное объяснение этого явления. эволюция галактик[29] и первоначальный коллапс межзвездных облаков.[18] В частности, утверждается, что космология плазмы дает альтернативное объяснение плоской кривые вращения спиральных галактик и покончить с необходимостью темная материя в галактиках и с необходимостью сверхмассивные черные дыры в центрах галактик к власти квазары и активные галактические ядра.[28][29] Однако теоретический анализ показывает, что «многие сценарии генерации зародышевых магнитных полей, которые полагаются на выживание и устойчивость токов в ранние времена [вселенной, являются неблагоприятными]»,[19] т. е. Биркеландские токи необходимой величины (1018 амплитуды сверх масштабов мегапарсеков) для образования галактик не существует.[32] Кроме того, многие проблемы, которые были загадочными в 1980-х и 1990-х годах, в том числе несоответствия, относящиеся к космический микроволновый фон и характер квазары, были решены с большим количеством доказательств, которые в деталях предоставляют шкалу расстояния и времени для Вселенной.

Некоторые из мест, где сторонники плазменной космологии больше всего расходятся со стандартными объяснениями, включают необходимость того, чтобы их модели производили легкие элементы без Нуклеосинтез Большого взрыва, что в контексте космологии Альфвена – Клейна, как было показано, дает чрезмерное Рентгеновские лучи и гамма излучение сверх того, что наблюдается.[33][34] Сторонники плазменной космологии выдвинули дополнительные предложения по объяснению распространенности легких элементов, но связанные с этим вопросы не были полностью решены.[35] В 1995 году Эрик Лернер опубликовал свое альтернативное объяснение космическое микроволновое фоновое излучение (CMBR).[36] Он утверждал, что его модель объясняет верность спектра реликтового излучения спектру черного тела и обнаруженный низкий уровень анизотропии, даже если уровень изотропии составляет 1:10.5 не учитывается с такой точностью никакими альтернативными моделями. Кроме того, чувствительность и разрешение измерения анизотропии реликтового излучения были значительно улучшены за счет WMAP и Спутник Планка и статистика сигнала настолько соответствовала предсказаниям модели Большого взрыва, что реликтовое излучение было объявлено главным подтверждением модели Большого взрыва в ущерб альтернативам.[37] В акустические пики в ранней Вселенной с высокой точностью соответствуют предсказаниям модели Большого взрыва, и на сегодняшний день никогда не было попыток объяснить подробный спектр анизотропии в рамках плазменной космологии или какой-либо другой альтернативной космологической модели.

Ссылки и примечания

  1. ^ а б Альфвен, Ханнес (1983). «Об иерархической космологии». Астрофизика и космическая наука. 89 (2): 313–324. Bibcode:1983Ap & SS..89..313A. Дои:10.1007 / bf00655984. S2CID  122396373.
  2. ^ а б Энтони, Л.П. (февраль 1992 г.). "Плазменная космология" (PDF). Небо и телескоп. Получено 26 мая 2012. пересчет: это было описано в февральском выпуске журнала Небо и телескоп («Плазменная космология»), а также Энтони Ператта в 1980-х, который описывает это как «нестандартную картину». В ΛCDM модель картину большого взрыва обычно описывают как "модель соответствия", "стандарт модель "или" стандарт парадигма "космологии Вот[постоянная мертвая ссылка ], и Вот.[ненадежный источник? ]
  3. ^ а б Альфвен, H.O.G. (1990). «Космология в плазменной Вселенной - вводная экспозиция». IEEE Transactions по науке о плазме. 18: 5–10. Bibcode:1990ITPS ... 18 .... 5A. Дои:10.1109/27.45495.
  4. ^ Chan, T. K .; Керес, Д .; Oñorbe, J .; Хопкинс, П. Ф .; Муратов, А.Л .; Faucher-Giguère, C.-A .; Quataert, E. (01.12.2015). «Влияние барионной физики на структуру гало темной материи: взгляд из космологического моделирования FIRE». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 454 (3): 2981–3001. arXiv:1507.02282. Bibcode:2015МНРАС.454.2981С. Дои:10.1093 / мнрас / stv2165. ISSN  0035-8711. S2CID  8867296.
  5. ^ Альфвен, Х.О. Г (1987). «Плазменная вселенная» (PDF). Physica Scripta. T18: 20–28. Bibcode:1987ФСТ ... 18 ... 20А. Дои:10.1088 / 0031-8949 / 1987 / t18 / 002.
  6. ^ а б Х., Альфвен (1966). Миры-антимиры: антивещество в космологии. Фримен.
  7. ^ а б Kragh, H.S. (1996). Космология и противоречие: историческое развитие двух теорий Вселенной. 23. Издательство Принстонского университета. С. 482–483. ISBN  978-0-691-00546-1.
  8. ^ Кляйн, О. (1971). «Аргументы по поводу теории относительности и космологии». Наука. 171 (3969): 339–45. Bibcode:1971 г., наука ... 171..339K. Дои:10.1126 / science.171.3969.339. PMID  17808634. S2CID  22308581.
  9. ^ Alfvén, H .; Фальтхаммар, К.-Г. (1963). Космическая электродинамика. Оксфорд: Clarendon Press.
  10. ^ Альфвен, Х. (1988). «Есть ли у Вселенной происхождение? (Трита-ЭПП)» (PDF). п. 6.
  11. ^ а б Ператт, А.Л. (1995). «Введение в астрофизику и космологию плазмы» (PDF). Астрофизика и космическая наука. 227 (1–2): 3–11. Bibcode:1995Ap и SS.227 .... 3P. Дои:10.1007 / bf00678062. ISBN  978-94-010-4181-2. S2CID  118452749.
  12. ^ Альфвен, Х. (1992). «Космология: миф или наука?». IEEE Transactions по науке о плазме. 20 (6): 590–600. Bibcode:1992ITPS ... 20..590A. Дои:10.1109/27.199498.
  13. ^ Альфвен, Х. (1984). «Космология - миф или наука?». Журнал астрофизики и астрономии. 5 (1): 79–98. Bibcode:1984ЯПА .... 5 ... 79А. Дои:10.1007 / BF02714974. ISSN  0250-6335. S2CID  122751100.
  14. ^ Х., Альфвен (1981). Космическая плазма. Тейлор и Фрэнсис. С. IV.10.3.2, 109. Рассказывают: «Двойные слои также могут производить чрезвычайно высокие энергии. Известно, что это происходит во время солнечных вспышек, когда они генерируют солнечные космические лучи до 109 до 1010 эВ. "
  15. ^ Альфвен, Х. (1986). «Двойные слои и схемы в астрофизике». IEEE Transactions по науке о плазме. ПС-14 (6): 779–793. Bibcode:1986ITPS ... 14..779A. Дои:10.1109 / TPS.1986.4316626. S2CID  11866813.
  16. ^ Pebbles, P.J.E. (1993). Принципы физической космологии. Издательство Принстонского университета. п. 207. ISBN  978-0-691-07428-3.
  17. ^ Х. Альфвен и К.-Г. Фальтаммар, Космическая электродинамика(2-е издание, Clarendon press, Oxford, 1963). «Основная причина того, почему электромагнитные явления так важны в космической физике, заключается в том, что существуют небесные магнитные поля, которые влияют на движение заряженных частиц в космосе ... Напряженность межпланетного магнитного поля составляет порядка 10−4 гаусс (10 нанотеслас ), что дает [отношение магнитной силы к силе тяжести] ≈ 107. Это иллюстрирует огромную важность межпланетных и межзвездных магнитных полей по сравнению с гравитацией, пока материя ионизирована »(стр. 2-3).
  18. ^ а б Alfvén, H .; Карлквист П. (1978). «Межзвездные облака и образование звезд». Астрофизика и космическая наука. 55 (2): 487–509. Bibcode:1978Ap & SS..55..487A. Дои:10.1007 / BF00642272. S2CID  122687137.
  19. ^ а б Siegel, E. R .; Фрай, Дж. Н. (сентябрь 2006 г.). «Могут ли электрические заряды и токи выжить в неоднородной Вселенной?». arXiv:Astro-ph / 0609031. Bibcode:2006astro.ph..9031S. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  20. ^ Альфвен, Х. (1986). «Модель плазменной Вселенной» (PDF). IEEE Transactions по науке о плазме. ПС-14 (6): 629–638. Bibcode:1986ITPS ... 14..629A. Дои:10.1109 / tps.1986.4316614. S2CID  31617468.[постоянная мертвая ссылка ]
  21. ^ а б А. Л. Ператт, Плазменная космология: Часть I, Интерпретации видимой Вселенной, Мир и я, т. 8. С. 294–301, август 1989 г. [1]
  22. ^ а б А. Л. Ператт, Плазменная космология: часть II, Вселенная - море электрически заряженных частиц, Мир и я, т. 9. С. 306–317, сентябрь 1989 г.[2]
  23. ^ А.Л. Ператт, Плазменная космология, Sky & Tel. Февраль 1992 г.
  24. ^ А. Ператт (1986). «Эволюция плазменной Вселенной. I - Двойные радиогалактики, квазары и внегалактические джеты» (PDF). IEEE Transactions по науке о плазме. ПС-14 (6): 639–660. Bibcode:1986ITPS ... 14..639P. Дои:10.1109 / TPS.1986.4316615. ISSN  0093-3813. S2CID  30767626.
  25. ^ Бостик, В. Х. (1986). «Какие плазменные структуры, созданные в лаборатории, могут способствовать пониманию космических структур, больших и малых». IEEE Transactions по науке о плазме. ПС-14 (6): 703–717. Bibcode:1986ITPS ... 14..703B. Дои:10.1109 / TPS.1986.4316621. S2CID  25575722.
  26. ^ А.Л. Ператт, Дж. Грин и Д. Нильсон (20 июня 1980 г.). «Эволюция сталкивающейся плазмы». Письма с физическими проверками. 44 (26): 1767–1770. Bibcode:1980ПхРвЛ..44.1767П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.44.1767.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  27. ^ а б Э. Дж. Лернер (1991). Большого взрыва никогда не было. Нью-Йорк и Торонто: Random House. ISBN  978-0-8129-1853-3.
  28. ^ а б А.Л. Ператт и Дж. Грин (1983). «Об эволюции взаимодействующей намагниченной галактической плазмы». Астрофизика и космическая наука. 91 (1): 19–33. Bibcode:1983Ap & SS..91 ... 19P. Дои:10.1007 / BF00650210. S2CID  121524786.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  29. ^ а б c А. Ператт (1986). «Эволюция плазменной Вселенной: II. Формирование систем галактик» (PDF). IEEE Transactions по науке о плазме. ПС-14 (6): 763–778. Bibcode:1986ITPS ... 14..763P. Дои:10.1109 / TPS.1986.4316625. ISSN  0093-3813. S2CID  25091690.
  30. ^ E.J. Лернер (1986). «Магнитное самосжатие в лабораторной плазме, квазарах и радиогалактиках». Лазерные лучи и пучки частиц. 4 часть 2 (2): 193‑222. Bibcode:1986ЛПБ ..... 4..193Л. Дои:10.1017 / S0263034600001750.
  31. ^ Франк, Юхан; Франк, Карлос; Франк, Дж. Р .; King, A.R .; Рейн, Дерек Дж. (1985-04-18). Сила аккреции в астрофизике. CUP Архив. п. 25. ISBN  9780521245302.
  32. ^ Colafrancesco, S .; Джордано, Ф. (2006). «Влияние магнитного поля на отношение М - Т кластера». Астрономия и астрофизика. 454 (3): L131–134. arXiv:astro-ph / 0701852. Bibcode:2006A & A ... 454L.131C. Дои:10.1051/0004-6361:20065404. S2CID  1477289. пересчитать: «Численное моделирование показало, что широкомасштабные магнитные поля в массивных кластерах вызывают вариации массы кластера на уровне ~ 5-10% от их ненамагниченного значения ... Ожидается, что такие вариации не вызовут сильных изменений в относительное соотношение [масса-температура] для массивных кластеров ".
  33. ^ Audouze, J .; Lindley, D .; Силк, Дж. (1985). "Фотосинтез Большого взрыва и предгалактический нуклеосинтез легких элементов". Астрофизический журнал. 293: L53 – L57. Bibcode:1985ApJ ... 293L..53A. Дои:10.1086/184490.
  34. ^ Эпштейн; и другие. (1976). «Происхождение дейтерия». Природа. 263 (5574): 198–202. Bibcode:1976Натура.263..198E. Дои:10.1038 / 263198a0. S2CID  4213710. Отметьте, что если бы потоки протонов с энергией более 500 МэВ были достаточно интенсивными, чтобы производить наблюдаемые уровни дейтерия, они также производили бы примерно в 1000 раз больше гамма-лучей, чем наблюдаемые.
  35. ^ Ref. 10 в «Галактической модели образования элементов» (Лернер, IEEE Transactions по науке о плазме Vol. 17, No. 2, апрель 1989 г. [3] В архиве 2006-12-29 на Wayback Machine ) - это Дж. Одуз и Дж. Силк, «Предгалактический синтез дейтерия» в Proc. Семинар ESO по "Первозданному гелию", 1983, с. 71–75. [4] Лернер включает параграф «Гамма-лучи от продукции D», в котором он утверждает, что ожидаемый уровень гамма-излучения согласуется с наблюдениями. В этом контексте он не цитирует ни Аудуза, ни Эпштейна и не объясняет, почему его результат противоречит их результатам.
  36. ^ Лернер, Эрик (1995). «Межгалактическое радиопоглощение и данные COBE» (PDF). Астрофизика и космическая наука. 227 (1–2): 61–81. Bibcode:1995Ap и SS.227 ... 61L. Дои:10.1007 / bf00678067. S2CID  121500864. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-15. Получено 2012-05-30.
  37. ^ Spergel, D. N .; и другие. (2003). "(Коллаборация WMAP)," Первый год наблюдений с помощью зонда Wilkinson Microwave Anisotropy (WMAP): определение космологических параметров ". Серия дополнений к астрофизическому журналу. 148 (1): 175–194. arXiv:Astro-ph / 0302209. Bibcode:2003ApJS..148..175S. Дои:10.1086/377226. S2CID  10794058.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка