БОЛЬШАЯ ЧАСТЬ МАТЕРИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ НАХОДИТСЯ В "ЧЕТВЕРТОМ СОСТОЯНИИ ВЕЩЕСТВА". НО ТАК БЫЛО НЕ ВСЕГДА.     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.

Большая часть материи во Вселенной находится в четвертом состоянии вещества.

НОВОРОЖДЕННАЯ ВСЕЛЕННАЯ

    В последние годы астрофизики и космологи пришли к единой точке зрения относительно того, что происходило в нашей Вселенной, когда ее возраст перевалил 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 высоко-энергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла порядка 4 трлн градусов.
    На десятой микросекунде Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой чудовищной плотности (примерно 100 млн 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.

Пять космических аппаратов миссии THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) на вытянутых околоземных орбитах изучают основные хранилища плазмы вблизи нашей планеты - магнитосферу и ионосферу Земли, а также их взаимодействия с солнечным ветром. Эти взаимодействия вызывают появление полярных сияний и возмущения магнитосферы Земли, что приводит к магнитным бурям и выражается в нарушениях радиосвязи, работы электронных приборов и систем энергоснабжения.     На иллюстрации: пять аппаратов выстроены в линию для регистрации состояния различных областей магнитосферы при перезамыкании магнитных линий.

ОТВАЖНАЯ ПЯТЕРКА

    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 млрд градусов, когда возраст мироздания составлял примерно одну секунду. Образование пар (во все меньшем и меньшем количестве) продолжалось за счет "горячего хвоста" фотонного спектра, однако спустя несколько секунд, когда температура фотонов спустилась ниже 4 млрд 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.

С момента Большого взрыва события развивались достаточно быстро - за короткое время сменилось несколько ключевых эпох. Чтобы изучить первые моменты существования Вселенной, требуется получить соответствующие этим эпохам огромные энергии. Частично смоделировать такие условия можно с помощью больших ускорителей - таких, как Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC).

ХРОНИКИ ВСЕЛЕННОЙ

ПЛАЗМА КОСМИЧЕСКИХ ПУСТОТ Хотя звездная и околозвездная плазма вносит основной вклад в энергетику Большого космоса, в общей массе бари-онной 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. 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, - объясняет Эллен Цвейбел, профессор астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне. - Это самое разреженное вещество во Вселенной - на 1 м3 пространства не приходится и одной протонно-эпектронной пары (вблизи галактик и галактических кластеров этот показатель выше на один-два порядка).     Именно поэтому межгалактическую плазму трудно наблюдать с помощью астрономических приборов. Кое-какую информацию удается получить при изучении спектров поглощения фотонов атомами элементов тяжелее водорода. Протоны и электроны межгалактической плазмы, как и любые заряженные частицы, взаимодействуют с космическими магнитными полями. Такие поля точно имеются вблизи галактик, но до сих пор не известно, существует ли единое фоновое магнитное поле, пронизывающее Вселенную. Некоторые астрофизики полагают, что такое поле существует, хоть мы не понимаем механизма его возникновения и не в состоянии измерить, так как его напряженность 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 1 млн частиц на 1 м3, холоднее межгалактической и богаче тяжелыми элементами. В ее состав входят микропылинки, которых нет в межгалактической среде. К тому же межзвездная газовая среда преимущественно состоит из нейтральных атомов и молекул, концентрация которых может в сотни и тысячи раз превышать концентрацию заряженных частиц. Тем не менее такая среда хорошо проводит электричество и посему является вполне доброкачественной плазмой. Гравитационные поля стягивают частицы межзвездного газа в газо-пылевые облака, из которых рождаются звезды и планетные системы.

ПЛАЗМА КОСМИЧЕСКИХ ПУСТОТ

    Эту эру так и называют - радиационной.


    В истории мироздания очень важна трехминутная отметка. На этой стадии впервые появилась возможность формирования составных ядер - ядер дейтерия (протон плюс нейтрон). Энергия связи такого ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре в 25 млрд 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 достаточное количество 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.

АНАЛИЗ ОСЦИЛЛЯЦИЙ чрезвычайно важен для космологии. Звуки в космической плазме восходят к неоднородностям материи, возникшим в течение первой секунды после Большого взрыва. Поэтому спектральный анализ реликтового микроволнового излучения дает богатейшую информацию о ранней истории Вселенной.

АНАЛИЗ ОСЦИЛЛЯЦИЙ

    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 не переработанный 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.

ЭXО 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 рассказал профессор Аризонского университета Дэниел Айзенстайн.

"Звук в любой газовой среде - это колебательный процесс, в ходе которого в ней распространяются волны сжатия и разрежения. В воздухе звук переносится благодаря столкновениям между молекулами газа. В возрасте космической плазмы 100 000 лет каждый кубический сантиметр пространства содержал 2000 электронов и менее 200 ядер гелия. Однако в этом же объеме находилось приблизительно 3 трлн фотонов, которые и создавали упругую среду. Хотя давление в этой среде было крайне низким (одна стотысячная атмосферы), звук в ней распространялся со скоростью почти 60% скорости света. В зонах максимума лучевого давления температура и яркость фотонного газа возрастали, в зонах минимума — падали. Поскольку фотоны не особенно больших энергий никак не замечают присутствия друг друга, в фотонном газе звуковые колебания могли распространяться лишь в присутствии заряженных частиц, на которые рассеивались световые кванты.     После рекомбинации 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. Температура реликтовых фотонов, пришедших из разных участков небосвода, колеблется с амплитудой порядка 1/100 000. Эти осцилляции и есть следы звуковых волн, некогда распространявшихся в фотонном газе.

ЭXО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

    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 сто 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 входе 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).

ВСЕЛЕННАЯ НА ПРОСВЕТ

С помощью телескопа Hubble (слева) астрофизики устанавливают состав и распределение барионной материи во Вселенной.

    Таким образом, гигантское выделение энергии в ходе первичного нуклеосинтеза практически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, то же самое можно сказать и о двух еще более сильных прогревах космоса во время аннигиляции кварков и антикварков, а затем электронов и позитронов).


    Первичный нуклеосинтез вновь преобразовал состав горячей плазмы юной Вселенной. А вот потом в течение 400 000 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 57 000 лет, плотность лучевои энергии сравнялась с плотностью энергии частиц, а потом начала от нее отставать - наступил конец радиационной эры.

СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА

В центральной зоне Солнца идут реакции термоядерного синтеза. Ионов как таковых там нет, элементы представлены голыми ядрами и электронами, погруженными в газ из гамма-квантов.

Хотя удельная плотность этой среды десятикратно превышает плотность свинца, она обладает динамическими характеристиками типичной плазмы. Некоторые ядра пробиваются к поверхности светила, попадают во все более и более холодные слои и обрастают электронными оболочками. Атомам многоэлектронных элементов, входящих в состав солнечной атмосферы, как правило, не хватает всего одного-двух электронов. Правда, в верхних ее слоях, в зоне солнечной короны, где температуры измеряются млн. градусов, степень ионизации возрастает (следует заметить, что уникальная структура коронального спектра объясняется присутствием сильно ионизированных атомов железа).

СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА

    Каким тогда казался бы космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал? Когда Вселенной стукнуло 50 000 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 200 000 лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому, еще через 200 000 лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным. В возрасте Вселенной 5 млн лет ее температура 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 млн лет после Большого взрыва.

СОЛНЕЧНАЯ ПЛАЗМА

В состав солнечной атмосферы также входят ядра водорода и гелия, отрицательные ионы водорода Сони играют немалую роль в поглощении инфракрасного и видимого света), и даже, в самых холодных участках, молекулы воды и моноокиси углерода - и, естественно, электроны. Так что это многокомпонентная плазма, в которой происходят сложные динамические процессы с непременным участием сильных и быстро изменяющихся магнитных полей.     На внешней границе солнечной атмосферы тяготение уже не в состоянии удерживать частицы плазмы, которые уходят в межпланетное пространство и заполняют его вплоть до границ гелиосферы. Этот феномен называется спокойным солнечным ветром. Его состав совпадает с составом плазмы короны - это протоны и электроны с небольшой добавкой альфа-частиц, ионов кислорода, железа, кремния и некоторых других элементов. К спокойному ветру периодически добавляются выбросы менее плотной, но зато более нагретой плазмы, порожденной мощными корональными возмущениями. Эти потоки постепенно уносят угловой момент Солнца, уменьшая скорость его осевого вращения. Не стоит удивляться, что молодые звезды солнечного типа обычно совершают полный оборот гораздо быстрее, чем наше светило.

СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

    Но что же все-таки произошло через 380 000 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 80 000 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 путешествие по космосу. Эти реликтовые фотоны, остывшие с тех пор до 2,7 К, мы называем фоновым микроволновым излучением.

ПЛАЗМОСФЕРА ЗЕМЛИ

Внешняя часть ионосферы Земли - это в основном ионизированный ультрафиолетовым излучением Солнца водород.

    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, соседствовавшему (и взаимодействовавшему посредством гравитации!) со столь же нейтральными частицами темной материи. Когда Вселенная состарилась до 100 млн 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 млн 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.

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

"Компактные космические объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, нередко имеют компаньонов - обычные звезды, - объясняет специалист по теоретической астрофизике из Принстонского университета Анатолий Спитковский. - 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. Еще болеё 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".

НЕБЕСНЫЕ ЭКСТРЕМАЛЫ

---