Плазма в природе, космосе и астрофизике

Схема пересоединения силовых линий магнитного поля в плазме

Физические процессы, явления

Магни́тное пересоедине́ние в плазме, изменение топологии силовых линий магнитного поля, связанное с нарушением их вмороженности в плазму; обычно сопровождается высвобождением свободной магнитной энергии, накопленной в различных плазменных конфигурациях, и её преобразованием в тепловую и кинетическую энергию частиц, которые могут ускоряться вплоть до ультрарелятивистских скоростей. При пересоединении магнитных силовых линий возникают новые магнитные структуры: магнитные петли, острова, нейтральные точки и линии, новые течения плазмы. Существуют различные механизмы пересоединения магнитных силовых линий. Различают вынужденное и спонтанное (происходящее без внешнего воздействия) магнитное пересоединение. Свойства процессов пересоединения магнитных силовых линий проявляются в солнечных вспышках и магнитосферных суббурях. В космической плазме процессы магнитного пересоединения контролируют структуру и динамику магнитосфер планет.

Структурные элементы материи

Космическая плазма

Косми́ческая пла́зма, плазма в космическом пространстве и населяющих его объектах. Возникла в первые микросекунды рождения Вселенной после Большого взрыва и ныне является наиболее распространённым состоянием вещества в природе, составляя 95 % от массы Вселенной (без учёта тёмной материи и тёмной энергии). По свойствам, зависящим от температуры и плотности вещества, и по направлениям исследования космическую плазму можно разделить на следующие виды: кварк-глюонная (ядерная), галактическая (плазма галактик и галактических ядер), звёздная (плазма звёзд и звёздных атмосфер), межпланетная и магнитосферная. Космическая плазма может находиться в равновесном и неравновесном состояниях, может быть идеальной и неидеальной. Космическая плазма удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптических телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных рентгеновских и гамма-телескопов. Прямые измерения параметров космической плазмы в пределах Солнечной системы проводятся с помощью приборов, установленных на ракетах и космических аппаратах.

Возникновение космической плазмы в процессе эволюции Вселенной

Природные процессы, явления внутри небесных тел или в космическом пространстве

Солнечный магнетизм

Со́лнечный магнети́зм, комплекс физических процессов, связанных с возникновением и динамикой магнитных полей на Солнце. Магнитные поля тесно взаимодействуют с движущейся солнечной плазмой и описываются методами магнитной гидродинамики. Солнечный магнетизм является причиной солнечной активности. В фотосфере Солнца областями сильных магнитных полей являются солнечные пятна, где поля локально подавляют конвекцию, уменьшая тепловой поток и понижая локальную температуру. В хромосфере и короне Солнца магнитные поля порождают разнообразные плазменные образования – хромосферные дуги, корональные петли, аркады, протуберанцы, шлемовидные структуры и др. Динамика магнитных полей – важнейшая составляющая механизма солнечных вспышек. Из областей корональных дыр магнитные силовые линии простираются на большие расстояния от Солнца, образуя межпланетное магнитное поле, взаимодействующее с магнитосферой Земли. Различные закономерности проявления солнечного магнетизма объясняются в рамках модели солнечного динамо.

Пространственная картина силовых линий магнитного поля Солнца (компьютерная модель)

Природные процессы, явления внутри небесных тел или в космическом пространстве

Солнечная вспышка

Со́лнечная вспы́шка, быстрое увеличение яркости части поверхности Солнца и его атмосферы в широком диапазоне спектра электромагнитного излучения (от радиоволн до жёсткого гамма-излучения). Самое мощное из всех проявлений солнечной активности, средняя мощность энерговыделения составляет около 1022 Вт при длительности от 10 до 103 c. Во время солнечных вспышек поток энергии от Солнца в ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-диапазонах увеличивается в тысячи раз. Это говорит о том, что вспышка происходит преимущественно в короне Солнца. Значительная часть энергии выделяется в виде выбросов плазмы со скоростями порядка 1000 км/c из короны в межпланетное пространство (корональные выбросы массы). Происхождение солнечных вспышек связано с переходом энергии солнечных магнитных полей в кинетическую энергию выбросов плазмы и заряженных частиц, а также в мощные потоки тепла и излучения за счёт магнитного пересоединения. Солнечные вспышки оказывают сильное воздействие на околоземное космическое пространство, определяя космическую погоду.

Физические величины

Мера фарадеевского вращения

Ме́ра фараде́евского враще́ния, физическая величина, характеризующая степень поворота плоскости поляризации линейно поляризованного электромагнитного излучения при его прохождении через содержащую свободные электроны среду (например, плазму) с магнитным полем. Вращение плоскости поляризации в этом случае обусловлено эффектом Фарадея (т. н. фарадеевское вращение). Угол поворота пропорционален квадрату длины волны излучения: где – мера фарадеевского вращения, обычно измеряемая в рад/м2. В простейшем случае, когда на луче зрения расположен только один источник излучения, не обладающий собственным фарадеевским вращением, вызывающим деполяризацию излучения, значение зависит от пути, проходимого излучением в среде, концентрации электронов в среде вдоль луча зрения и величины компонента индукции магнитного поля, направленного вдоль луча зрения. Меру фарадеевского вращения определяют по наклону графика зависимости угла поворота плоскости поляризации от квадрата длины волны. В астрономии мера фарадеевского вращения служит важным инструментом исследования магнитных полей в космических объектах.

Физические величины

Оптическая толща

Идеи, Концепции, учения, методы исследования

Термины

Поверхность последнего рассеяния

Пове́рхность после́днего рассе́яния, сферическая поверхность, в центре которой находится наблюдатель и которая является источником реликтового излучения. Это единственный источник излучения, который окружает наблюдателя со всех сторон. Все исследуемые космические объекты находятся внутри поверхности последнего рассеяния. Наблюдаемое реликтовое излучение было испущено первичной плазмой в эпоху рекомбинации, около 380 тыс. лет после Большого взрыва, когда электроны связались (рекомбинировали) с атомными ядрами лёгких химических элементов в электрически нейтральные атомы, в результате чего фотоны получили возможность распространяться свободно. Красное смещение поверхности последнего рассеяния составляет

Карта анизотропии температуры реликтового излучения

Внегалактические объекты

Реликтовое излучение

Рели́ктовое излуче́ние, космическое электромагнитное излучение, имеющее спектр абсолютно чёрного тела с температурой . Даёт основной вклад в интенсивность фонового излучения Вселенной в диапазоне сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых длин волн; характеризуется высокой степенью изотропии (интенсивность одинакова во всех направлениях с точностью 10–5). Открытие реликтового излучения подтвердило теорию горячей Вселенной. Согласно этой теории, реликтовое излучение образовалось на ранней стадии эволюции Вселенной, когда произошла рекомбинация протонов и электронов с образованием электрически нейтральных атомов водорода, после чего электромагнитное излучение стало распространяться во Вселенной почти свободно. В ходе последующего расширения Вселенной температура излучения продолжала падать с сохранением планковского спектра. Реликтовое излучение обладает слабой анизотропией и частичной поляризацией, измерение которых позволяет определять значения космологических параметров и делать некоторые выводы о ранних стадиях эволюции Вселенной, в частности о свойствах первичных возмущений.

Карта анизотропии реликтового излучения по данным обсерватории WMAP

Природные процессы, явления внутри небесных тел или в космическом пространстве

Звёздный ветер

Звёздный ве́тер, стационарное истечение вещества из атмосферы звезды в окружающее пространство. Наблюдается у звёзд любой массы и на всех стадиях их эволюции. Его наличие означает, что в атмосфере звезды нарушено механическое равновесие. Причинами этого могут быть: нагрев короны звезды турбулентными движениями нижележащих слоёв до температуры свыше 106 К, вызывающий расширение короны в окружающее пространство; ударные волны, возбуждённые нерегулярными колебаниями атмосферы звезды; давление излучения звезды; центробежная сила и др. За время жизни на главной последовательности звёзды типа Солнца теряют из-за звёздного ветра менее 0,1 % своей массы, однако потери момента импульса приводят к заметному замедлению их вращения. На более поздних стадиях эволюции, а также у более массивных звёзд скорость потери массы значительно выше и может составлять от 10–7 до 10–2 массы Солнца в год. Звёздный ветер массивных звёзд играет важную роль в динамике межзвёздной среды, создавая в ней каверны, заполненные горячим газом, а также обогащая межзвёздный газ продуктами ядерных реакций, вынесенными конвекцией из недр звёзд на их поверхность.

Эмиссионная туманность Пузырь (NGC 7635), HST

Элементы строения звёзд

Короны звёзд

Коро́ны звёзд, самые внешние части атмосфер звёзд. Они образуются благодаря потоку энергии, направленному от поверхности звезды наружу. Эта энергия поддерживает высокую температуру плазмы, которая частично удерживается гравитацией звезды, а частично расширяется в пространство в виде звёздного ветра. Нагрев корон звёзд, вероятно, происходит за счёт диссипации энергии акустических волн и преобразования магнитной энергии в тепловую и энергию ускоренных частиц. Основным индикатором существования корон звёзд служит мягкое рентгеновское излучение – тепловое излучение ионизованного коронального газа (плазмы). Физические процессы в коронах звёзд определяются поведением магнитных полей различного масштаба, которые ответственны за основной нагрев плазмы. Магнитная активность приводит к развитию мощных нестационарных явлений во всей атмосфере – выбросам вещества и вспышкам. Многочисленные очень слабые вспышки играют основную роль в нагреве корон звёзд, особенно на красных карликах.

Изображение солнечной короны, полученное путём обработки серии снимков с различной экспозицией