Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ПЛА́ЗМЕННАЯ АСТРОФИ́ЗИКА

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 26. Москва, 2014, стр. 327

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: Б. В. Сомов

ПЛА́ЗМЕННАЯ АСТРОФИ́ЗИКА, раз­дел ас­т­ро­фи­зи­ки, в ко­то­ром ас­тро­но­мич. объ­ек­ты и яв­ле­ния изу­ча­ют­ся ме­то­да­ми фи­зи­ки плаз­мы. Ос­но­вы П. а. за­ло­же­ны в нач. 1990-х гг. швейц. ас­т­ро­фи­зи­ком А. Бен­цом в хо­де ис­сле­до­ва­ний ки­не­тич. про­цес­сов в ко­ро­не Солн­ца и сол­неч­ном вет­ре. Совр. П. а. изу­ча­ет прак­ти­че­ски все ас­тро­но­мич. объ­ек­ты, со­дер­жа­щие плаз­му и маг­нит­ные по­ля, ис­сле­дуя ши­ро­кий спектр ас­тро­но­мич. яв­ле­ний от вспы­шек на Солн­це до гам­ма-вспле­сков. К объ­ек­там изу­че­ния П. а. от­но­сят­ся нор­маль­ные и вы­ро­ж­ден­ные звёз­ды, но­вые и сверх­но­вые звёз­ды, ком­пакт­ные ре­ля­ти­ви­ст­ские объ­ек­ты (вклю­чая бе­лые кар­ли­ки, ней­трон­ные звёз­ды, чёр­ные ды­ры с их маг­ни­то­сфе­ра­ми, ак­кре­ци­он­ны­ми дис­ка­ми, ко­ро­на­ми и ре­ля­ти­ви­ст­ски­ми дже­та­ми), меж­звёзд­ная и меж­га­лак­тич. сре­ды, га­лак­ти­ки и ква­за­ры.

В П. а. плаз­му опи­сы­ва­ют как сис­те­му мас­сив­ных за­ря­жен­ных час­тиц, ме­ж­ду ко­то­ры­ми су­ще­ст­ву­ет элек­тро­маг­нит­ное и гра­ви­та­ци­он­ное взаи­мо­дей­ст­вия. Ес­ли рас­смат­ри­вае­мая сис­те­ма со­сто­ит из не­боль­шо­го чис­ла взаи­мо­дей­ст­вую­щих час­тиц, то воз­мож­но дать точ­ное опи­са­ние её ди­на­ми­ки. Для это­го ин­тег­ри­ру­ют (с ис­поль­зо­ва­ни­ем ком­пь­ю­те­ров) урав­не­ния дви­же­ния всех час­тиц сис­те­мы. Для опи­са­ния сис­те­мы с боль­шим чис­лом час­тиц ис­поль­зу­ют ки­не­тич. урав­не­ния, даю­щие ста­ти­сти­че­ски ус­ред­нён­ное опи­са­ние плаз­мы. В за­ви­си­мо­сти от рас­смат­ри­вае­мых объ­ек­тов в П. а. ис­поль­зу­ют две осн. мо­де­ли (опи­сы­вае­мые раз­ны­ми ки­не­тич. урав­не­ния­ми): бес­столк­но­ви­тель­ной плаз­мы (что при­ме­ни­мо, напр., для опи­са­ния меж­га­лак­тич. сре­ды) и столк­но­ви­тель­ной плаз­мы (напр., для опи­са­ния ат­мо­сфер звёзд). В пре­дель­ном слу­чае очень час­тых столк­но­ве­ний плаз­ма рас­смат­ри­ва­ет­ся как не­пре­рыв­ная про­во­дя­щая сре­да, на­хо­дя­щая­ся в маг­нит­ном и гра­ви­та­ци­он­ном по­лях, – маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­че­ское (МГД) при­бли­же­ние, при­ме­ни­мое, напр., для опи­са­ния про­цес­сов внут­ри звёзд. Со­ответ­ст­вую­щий раз­дел П. а. на­зы­ва­ет­ся кос­ми­че­ской маг­ни­то­гид­ро­ди­на­ми­кой. Для опи­са­ния фи­зич. про­цес­сов в раз­ре­жен­ной плаз­ме, где столк­но­ве­ния ред­ки, хо­тя и иг­ра­ют прин­ци­пи­аль­ную роль (напр., в ко­ро­наль­ных лу­чах на Солн­це, в сол­неч­ном вет­ре, маг­ни­то­сфе­ре Зем­ли и др. пла­нет), ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся про­ме­жу­точ­ная мо­дель сла­бо­столк­но­ви­тель­ной плаз­мы.

П. а. изу­ча­ет плаз­мен­ные сис­те­мы ог­ром­ных раз­ме­ров. Для боль­шин­ст­ва из них (в от­ли­чие от плаз­мы, по­лу­чае­мой в ла­бо­ра­тор­ных ус­ло­ви­ях) ха­рак­тер­но от­сут­ст­вие рез­ких гра­ниц. По­это­му П. а. мож­но счи­тать раз­де­лом фи­зи­ки плаз­мы, ко­то­рый ре­ша­ет спе­ци­фич. круг за­дач и при­ме­ня­ет осо­бые ме­то­ды. Напр., в П. а. ус­пеш­но ра­бо­та­ет тео­рия маг­нит­но­го пе­ре­со­еди­не­ния (см. Пе­ре­со­еди­не­ние маг­нит­ных си­ло­вых ли­ний), в ко­то­рой от­сут­ст­ву­ет ог­ра­ни­че­ние, свя­зан­ное с рез­ки­ми гра­ни­ца­ми. Маг­нит­ное пе­ре­со­еди­не­ние ле­жит в ос­но­ве мн. не­ста­цио­нар­ных яв­ле­ний в кос­ми­че­ской плаз­ме, со­про­во­ж­дае­мых бы­ст­ры­ми на­прав­лен­ны­ми те­че­ния­ми плаз­мы (дже­та­ми), удар­ны­ми вол­на­ми, мощ­ны­ми по­то­ка­ми час­тиц вы­со­ких энер­гий и жё­ст­ко­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. Из этих яв­ле­ний наи­бо­лее дос­туп­ны­ми для изу­че­ния яв­ля­ют­ся сол­неч­ные вспыш­ки. На кос­мо­ло­гич. мас­шта­бах эф­фект маг­нит­но­го пе­ре­со­еди­не­ния про­яв­ля­ет се­бя, по-ви­ди­мо­му, в ви­де гам­ма-вспле­сков в не­рав­но­вес­ных маг­ни­то­сфе­рах ре­ля­ти­ви­ст­ских ком­пакт­ных объ­ек­тов.

Так как кос­мич. плаз­ма мо­жет иметь срав­ни­тель­но низ­кую плот­ность, за­мет­ная часть её энер­гии мо­жет пе­рей­ти в элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние (в плаз­ме вы­со­кой плот­но­сти та­кие вол­ны долж­ны иметь ги­гант­ские ам­пли­ту­ды и бы­ст­ро за­ту­хать). В свою оче­редь, элек­тро­маг­нит­ные вол­ны ус­ко­ря­ют за­ря­жен­ные час­ти­цы, при­чём в си­лу ог­ром­ных раз­ме­ров кос­мич. плаз­мен­ных сис­тем час­ти­цы мо­гут быть ус­ко­ре­ны до ульт­ра­реля­ти­ви­ст­ских ско­ро­стей (кос­ми­че­ские лу­чи вы­со­ких энер­гий).

Внеш­нее воз­дей­ст­вие (напр., по­ток элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния или ус­ко­рен­ных час­тиц) воз­бу­ж­да­ет вол­ны в плаз­ме. Со­стоя­ние плаз­мы, в ко­то­ром воз­бу­ж­де­ны ин­тен­сив­ные ко­ле­ба­ния и вол­ны, имею­щие не­ре­гу­ляр­ный, шу­мо­вой ха­рак­тер в ши­ро­ком ин­тер­ва­ле час­тот, на­зы­ва­ют тур­бу­лент­но­стью плаз­мы. Тур­бу­лент­ность в кос­мич. плаз­ме на­зы­ва­ют вы­со­ко­час­тот­ной, ес­ли она реа­ли­зу­ет­ся в об­лас­ти час­тот, мно­го бóль­ших час­то­ты столк­но­ве­ний час­тиц плаз­мы. В этом слу­чае дли­ны волн мо­гут быть мно­го мень­ше раз­ме­ров ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­тов. На час­то­тах, мень­ших час­то­ты столк­но­ве­ний, воз­бу­ж­да­ет­ся тур­бу­лент­ность, ко­то­рую на­зы­ва­ют низ­ко­час­тот­ной. Этот вид тур­бу­лент­но­сти для доз­ву­ко­вых ско­ро­стей дви­же­ния плаз­мы пред­став­ля­ет со­бой вих­ре­вые те­че­ния, а для сверх­зву­ко­вых – вол­ны боль­шой ам­пли­ту­ды, в ча­ст­но­сти удар­ные вол­ны. Низ­ко­час­тот­ная МГД-тур­бу­лент­ность в кос­мич. ус­ло­ви­ях, по-ви­ди­мо­му, оп­ре­де­ля­ет струк­ту­ру, энер­ге­ти­ку и ди­на­ми­ку ря­да ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­тов, в т. ч. ос­тат­ков сверх­но­вых звёзд. В та­ких ос­тат­ках на­блю­да­ет­ся не­рав­но­вес­ная плаз­ма, по­лучив­шая ог­ром­ный из­бы­ток ки­не­тич. энер­гии во вре­мя взры­ва сверх­но­вой звез­ды и спо­соб­ная пе­ре­вес­ти бóль­шую часть этой энер­гии в энер­гию удар­ных волн, МГД-тур­бу­лент­но­сти и кос­мич. лу­чей.

Тра­диц. под­ход к изу­че­нию тур­бу­лент­ных про­цес­сов в кос­мич. плаз­ме со­сто­ит в ис­сле­до­ва­нии её не­ус­той­чи­во­стей в ка­че­ст­ве при­чи­ны воз­бу­ж­де­ния ко­ле­ба­ний и волн. Рас­смат­ри­ва­ют­ся воз­мож­ные не­ли­ней­ные ме­ха­низ­мы ог­ра­ни­че­ния не­ус­той­чи­во­стей и раз­ви­тия тур­бу­лент­но­сти. По­лу­чен­ные ре­зуль­та­ты име­ют ши­ро­кий спектр ас­т­ро­фи­зич. при­ло­же­ний (от сол­неч­ных ра­дио­вспле­сков до ги­гант­ских «тур­бу­лент­ных кот­лов», су­ще­ст­во­ва­ние ко­то­рых пред­по­ла­га­ет­ся для объ­яс­не­ния кос­мо­ло­гич. гам­ма-вспле­сков).

Лит.: Benz A. Plasma astrophysics. 2nd ed. Dor­drecht; L., 2002; Diamond P. H., Itoh S.-I., Itoh K. Modern plasma physics. Camb., 2010; Somov B. V. Plasma astrophysics. 2nd ed. N. Y., 2013.

Вернуться к началу