Плазменная космология — это нестандартная космология , центральный постулат которой заключается в том, что динамика ионизированных газов и плазмы играет важную, если не доминирующую, роль в физике Вселенной в межзвездных и межгалактических масштабах. [2] [1] Напротив, современные наблюдения и модели космологов и астрофизиков объясняют формирование, развитие и эволюцию крупномасштабных структур как находящиеся под влиянием гравитации (включая ее формулировку в общей теории относительности Альберта Эйнштейна ) .
Первоначальная форма теории, космология Альфвена–Клейна , была разработана Ханнесом Альфвеном и Оскаром Клейном в 1960-х и 1970-х годах [3] и утверждает, что материя и антиматерия существуют в равных количествах в очень больших масштабах, что Вселенная вечна, а не ограничена во времени Большим взрывом , и что расширение наблюдаемой Вселенной вызвано аннигиляцией материи и антиматерии, а не механизмом, подобным космической инфляции . [1]
Космологи и астрофизики, оценившие плазменную космологию, отвергают ее, поскольку она не соответствует наблюдениям астрофизических явлений, а также принятой в настоящее время модели Большого взрыва . [4] С середины 1990-х годов в литературе появилось очень мало статей, поддерживающих плазменную космологию.
Термин плазменная вселенная иногда используется как синоним плазменной космологии, [2] как альтернативное описание плазмы во Вселенной. [1] Плазменная космология отличается от псевдонаучных идей, которые вместе называются Электрической Вселенной, хотя сторонники каждой из них, как известно, симпатизируют друг другу . [5] [6] Эти псевдонаучные идеи сильно различаются [7], но в целом утверждают, что электрические токи текут в звезды и питают их, как лампочки, что противоречит устоявшимся научным теориям и наблюдениям, показывающим, что звезды питаются за счет ядерного синтеза . [8]
В 1960-х годах теория, лежащая в основе плазменной космологии, была представлена Альфвеном [10] , экспертом по плазме, который получил Нобелевскую премию по физике 1970 года за свою работу по магнитогидродинамике . [11] Он предложил использовать плазменное масштабирование для экстраполяции результатов лабораторных экспериментов и наблюдений физики плазмы и масштабирования их на много порядков величины до самых больших наблюдаемых объектов во Вселенной (см. вставку [9] ). [12] В 1971 году Оскар Клейн , шведский физик-теоретик, расширил более ранние предложения и разработал модель Вселенной Альфвена–Клейна , [ 13] или «метагалактики», более ранний термин, используемый для обозначения эмпирически доступной части Вселенной, а не всей Вселенной, включая части за пределами нашего горизонта частиц . [14] [11]
В этой модели Вселенная состоит из равных количеств материи и антиматерии , а границы между областями материи и антиматерии очерчены космическими электромагнитными полями, образованными двойными слоями , тонкими областями, состоящими из двух параллельных слоев с противоположным электрическим зарядом. Взаимодействие между этими граничными областями будет генерировать излучение, и это будет формировать плазму. Альфвен ввел термин амбиплазма для плазмы, состоящей из материи и антиматерии, и двойные слои, таким образом, образованы из амбиплазмы. По мнению Альвена, такая амбиплазма будет относительно долгоживущей, поскольку составляющие ее частицы и античастицы будут слишком горячими и слишком малоплотными, чтобы быстро уничтожать друг друга. Двойные слои будут действовать, отталкивая облака противоположного типа, но объединять облака одного типа, создавая все большие области материи и антиматерии. Идея амбиплазмы была далее развита в формы тяжелой амбиплазмы (протоны-антипротоны) и легкой амбиплазмы (электроны-позитроны). [10]
Космология Альвена–Клейна была предложена отчасти для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии во Вселенной, начиная с начального состояния точной симметрии между материей и антиматерией. По мнению Альвена и Клейна, амбиплазма естественным образом образует карманы материи и карманы антиматерии, которые расширяются наружу по мере того, как аннигиляция между материей и антиматерией происходит в двойном слое на границах. Они пришли к выводу, что мы просто должны жить в одном из карманов, который в основном состоит из барионов, а не из антибарионов, что объясняет барионную асимметрию. Карманы, или пузыри, материи или антиматерии будут расширяться из-за аннигиляций на границах, что Альвен рассматривал как возможное объяснение наблюдаемого расширения Вселенной , которое будет всего лишь локальной фазой гораздо более обширной истории. Альфвен постулировал, что Вселенная существовала всегда [15] [16] из-за аргументов причинности и отказа от моделей ex nihilo , таких как Большой взрыв , как скрытой формы креационизма . [17] [18] Взрывающийся двойной слой также был предложен Альфвеном как возможный механизм генерации космических лучей , [19] рентгеновских всплесков и гамма-всплесков . [20]
В 1993 году теоретический космолог Джим Пиблз раскритиковал космологию Альфвена–Клейна, написав, что «нет способа, которым результаты могут согласовываться с изотропией космического микроволнового фонового излучения и рентгеновского фона ». [21] В своей книге он также показал, что модели Альфвена не предсказывают закон Хаббла , обилие легких элементов или существование космического микроволнового фона . Еще одна трудность с моделью амбиплазмы заключается в том, что аннигиляция материи и антиматерии приводит к образованию высокоэнергетических фотонов , которые не наблюдаются в предсказанных количествах. Хотя возможно, что локальная «материя-доминируемая» ячейка просто больше наблюдаемой Вселенной , это предположение не поддается наблюдательным проверкам.
Ханнес Альфвен с 1960-х по 1980-е годы утверждал, что плазма играет важную, если не доминирующую роль во Вселенной. Он утверждал, что электромагнитные силы гораздо важнее гравитации при воздействии на межпланетные и межзвездные заряженные частицы . [22] Он также выдвинул гипотезу, что они могут способствовать сжатию межзвездных облаков и даже могут составлять основной механизм сжатия, инициируя звездообразование . [23] Текущая стандартная точка зрения заключается в том, что магнитные поля могут препятствовать коллапсу, что крупномасштабные токи Биркеланда не наблюдались, и что шкала длины для нейтральности заряда, как предсказывают, намного меньше соответствующих космологических масштабов. [24]
В 1980-х и 1990-х годах Альфвен и Энтони Ператт , физик-плазматик из Лос-Аламосской национальной лаборатории , разработали программу, которую они назвали «плазменная вселенная». [25] [26] [27] В предложениях по плазменной вселенной различные явления физики плазмы были связаны с астрофизическими наблюдениями и использовались для объяснения современных загадок и проблем, нерешенных в астрофизике в 1980-х и 1990-х годах. На различных площадках Ператт представлял то, что он охарактеризовал как альтернативную точку зрения основным моделям, применяемым в астрофизике и космологии. [26] [27] [28] [16]
Например, Перратт предположил, что общепринятый подход к галактической динамике, основанный на гравитационном моделировании звезд и газа в галактиках с добавлением темной материи, упускает из виду, возможно, важный вклад физики плазмы. Он упоминает лабораторные эксперименты Уинстона Х. Бостика в 1950-х годах, которые создавали плазменные разряды, похожие на галактики. [29] [30] Перратт провел компьютерное моделирование сталкивающихся плазменных облаков, которые, как он сообщил, также имитировали форму галактик. [31] Перратт предположил, что галактики образовались из-за соединения плазменных нитей в z-пинч , нити начинались на расстоянии 300 000 световых лет друг от друга и переносили токи Биркеланда силой 10 18 ампер. [32] [33] Ператт также сообщил о моделировании, которое он сделал, показывая возникающие струи материала из центральной буферной области, которые он сравнил с квазарами и активными ядрами галактик, происходящими без сверхмассивных черных дыр . Ператт предложил последовательность для эволюции галактик : «переход двойных радиогалактик в радиоквазары , затем в радиотихие квазары, затем в пекулярные и сейфертовские галактики , наконец, заканчивающийся спиральными галактиками ». [34] Он также сообщил, что плоские кривые вращения галактик были смоделированы без темной материи . [32] В то же время Эрик Лернер , независимый исследователь плазмы и сторонник идей Ператта, предложил плазменную модель для квазаров, основанную на плотном плазменном фокусе . [35]
Стандартное астрономическое моделирование и теории пытаются включить всю известную физику в описания и объяснения наблюдаемых явлений, при этом гравитация играет доминирующую роль в самых больших масштабах, а также в небесной механике и динамике . С этой целью как кеплеровские орбиты, так и общая теория относительности Альберта Эйнштейна обычно используются в качестве базовых рамок для моделирования астрофизических систем и формирования структур , в то время как высокоэнергетическая астрономия и физика элементарных частиц в космологии дополнительно обращаются к электромагнитным процессам, включая физику плазмы и перенос излучения , чтобы объяснить относительно мелкомасштабные энергетические процессы, наблюдаемые в рентгеновских и гамма-лучах . Из-за общей нейтральности заряда физика плазмы не предусматривает очень дальних взаимодействий в астрофизике, даже когда большая часть материи во Вселенной является плазмой . [36] ( Подробнее см. в астрофизической плазме .)
Сторонники плазменной космологии утверждают, что электродинамика так же важна, как и гравитация, для объяснения структуры Вселенной, и предполагают, что она дает альтернативное объяснение эволюции галактик [34] и первоначального коллапса межзвездных облаков. [23] В частности, плазменная космология, как утверждается, дает альтернативное объяснение плоских кривых вращения спиральных галактик и устраняет необходимость в темной материи в галактиках и в сверхмассивных черных дырах в центрах галактик для питания квазаров и активных ядер галактик . [33] [34] Однако теоретический анализ показывает, что «многие сценарии генерации затравочных магнитных полей, которые полагаются на выживание и устойчивость токов в ранние времена [Вселенной, неблагоприятны» [24] , т. е. токов Биркеланда необходимой величины (10 18 ампер в масштабах мегапарсеков) для формирования галактик, не существуют. [37] Кроме того, многие вопросы, которые были загадочными в 1980-х и 1990-х годах, включая расхождения, связанные с космическим микроволновым фоном и природой квазаров , были решены с помощью дополнительных доказательств, которые в деталях предоставляют шкалу расстояний и времени для Вселенной.
Некоторые из мест, где сторонники плазменной космологии больше всего расходятся со стандартными объяснениями, включают необходимость для их моделей иметь производство легких элементов без нуклеосинтеза Большого взрыва , который, как было показано в контексте космологии Альфвена-Клейна, производит избыточное рентгеновское и гамма-излучение сверх наблюдаемого. [38] [39] Сторонники плазменной космологии внесли дополнительные предложения по объяснению распространенности легких элементов, но сопутствующие вопросы не были полностью рассмотрены. [40] В 1995 году Эрик Лернер опубликовал свое альтернативное объяснение космического микроволнового фонового излучения (CMBR). [41] Он утверждал, что его модель объясняет точность спектра CMB спектру черного тела и низкий уровень обнаруженной анизотропии, даже несмотря на то, что уровень изотропии в 1:10 5 не объясняется с такой точностью ни одной альтернативной моделью. Кроме того, чувствительность и разрешение измерения анизотропии РИ были значительно улучшены с помощью WMAP и спутника Planck , а статистика сигнала настолько соответствовала предсказаниям модели Большого взрыва, что РИ было объявлено основным подтверждением модели Большого взрыва в ущерб альтернативам. [42] Акустические пики в ранней Вселенной с высокой точностью соответствуют предсказаниям модели Большого взрыва, и до настоящего времени не было ни одной попытки объяснить подробный спектр анизотропии в рамках плазменной космологии или любой другой альтернативной космологической модели.
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )