Плазменная космология — это нестандартная космология, центральный постулат которой состоит в том, что динамика ионизированных газов и плазмы играет важную, если не доминирующую, роль в физике Вселенной на межзвездных и межгалактических масштабах. [2] [1] Напротив, текущие наблюдения и модели космологов и астрофизиков объясняют формирование, развитие и эволюцию крупномасштабных структур, в которых доминирует гравитация ( включая ее формулировку в общей теории относительности Альберта Эйнштейна ) .
Первоначальная форма теории, космология Альфвена-Клейна , была разработана Ханнесом Альфвеном и Оскаром Кляйном в 1960-х и 1970-х годах [3] и утверждает, что материя и антиматерия существуют в равных количествах в очень больших масштабах, что Вселенная скорее вечна. чем ограничено во времени Большим взрывом , и что расширение наблюдаемой Вселенной вызвано аннигиляцией материи и антиматерии, а не таким механизмом, как космическая инфляция . [1]
Космологи и астрофизики, оценивавшие 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 работ в поддержку плазменной космологии.
Термин «плазменная вселенная» иногда используется как синоним плазменной космологии [2] как альтернативное описание плазмы во Вселенной. [1] Плазменная космология отличается от псевдонаучных идей, называемых Электрической Вселенной, хотя известно, что сторонники каждой из них симпатизируют друг другу . [5] [6] Эти псевдонаучные идеи широко варьируются [7] , но обычно 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 плазменной космологии была представлена Альфвеном [10] , экспертом по плазме, получившим Нобелевскую премию по физике 1970 года за свои работы по магнитогидродинамике . [11] Он предложил использовать масштабирование плазмы для экстраполяции результатов лабораторных экспериментов и наблюдений физики плазмы и масштабирования их на многие порядки величины вплоть до крупнейших наблюдаемых объектов во Вселенной (см. вставку [9] ). [12] В 1971 году Оскар Кляйн , шведский физик-теоретик, расширил более ранние предложения и разработал модель Вселенной Альфвена-Кляйна , [ 13] или «метагалактику», более ранний термин, используемый для обозначения эмпирически доступной части Вселенной. Вселенная, а не вся Вселенная, 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, которое образует плазму. Альфвен ввел термин «амбиплазма» для обозначения плазмы, состоящей из вещества и антивещества, и, таким образом, из амбиплазмы образуются двойные слои. По мнению Альфвена, такая амбиплазма будет относительно долгоживущей, поскольку составляющие ее частицы и античастицы будут слишком горячими и слишком низкой плотностью, чтобы быстро аннигилировать друг друга. Двойные слои будут отталкивать облака противоположного типа, но объединять облака одного типа, создавая все более крупные области материи и антиматерии. Идея амбиплазмы получила дальнейшее развитие в формы тяжелой амбиплазмы (протоны-антипротоны) и легкой амбиплазмы (электроны-позитроны). [10]
Космология Альвена-Клейна была предложена частично для объяснения наблюдаемой барионной асимметрии во Вселенной, начиная с начального условия точной симметрии между веществом и антивеществом. По мнению Альфвена и Кляйна, амбиплазма естественным образом образует карманы материи и карманы антиматерии, которые будут расширяться наружу, когда аннигиляция между материей и антиматерией происходит в двойном слое на границах. Они пришли к выводу, что мы просто случайно живем в одном из карманов, состоящем в основном из барионов , а не из антибарионов, что объясняет барионную асимметрию. Карманы или пузыри материи или антиматерии будут расширяться из-за аннигиляции на границах, что Альфвен рассматривал как возможное объяснение наблюдаемого расширения Вселенной , которое было бы просто локальной фазой гораздо большей истории. Альфвен постулировал, что Вселенная существовала всегда [15] [16] благодаря аргументам о причинности и отказу от моделей ex nihilo , таких как Большой взрыв , как скрытой формы креационизма . [17] [18] Взрывной двойной слой был также предложен Альфвеном как возможный механизм генерации космических лучей , [19] рентгеновских всплесков и гамма-всплесков . [20]
В 1993 году космолог-теоретик Джим Пиблс раскритиковал космологию Альвена-Клейна, написав, что «результаты не могут быть согласованы с изотропией космического микроволнового фонового излучения и рентгеновского фона ». [21] В своей книге он также показал, что модели Альфвена не предсказывают закон Хаббла , изобилие легких элементов или существование космического микроволнового фона . Еще одна трудность модели амбиплазмы заключается в том, что аннигиляция материи и антиматерии приводит к образованию фотонов высокой энергии , которые не наблюдаются в предсказанных количествах. Хотя возможно, что локальная ячейка, в которой «доминирует материя», просто больше, чем наблюдаемая Вселенная , это предположение не поддается наблюдательным проверкам.
Ханнес Альфвен в 1960-1980-х годах утверждал, что плазма играет важную, если не доминирующую, роль во Вселенной. Он утверждал, что электромагнитные силы гораздо важнее гравитации , когда действуют на межпланетные и межзвездные заряженные частицы . [22] Далее он предположил, что они могут способствовать сокращению межзвездных облаков и могут даже представлять собой основной механизм сжатия, инициируя звездообразование . [23] Текущая стандартная точка зрения состоит в том, что магнитные поля могут препятствовать коллапсу, что крупномасштабные токи Биркеланда не наблюдались и что масштаб длин зарядовой нейтральности, по прогнозам, будет намного меньше, чем соответствующие космологические масштабы. [24]
В 1980-х и 1990-х годах Альфвен и Энтони Ператт , физик плазмы из Национальной лаборатории Лос-Аламоса , разработали программу, которую они назвали «плазменной вселенной». [25] [26] [27] В предложениях о плазменной вселенной различные явления физики плазмы были связаны с астрофизическими наблюдениями и использовались для объяснения современных загадок и проблем, стоящих перед астрофизикой в 1980-х и 1990-х годах. На различных площадках Ператт излагал то, что он охарактеризовал как точку зрения, альтернативную основным моделям, применяемым в астрофизике и космологии. [26] [27] [28] [16]
Например, Ператт предположил, что основной 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, в ходе которых были созданы плазменные разряды, похожие на галактики. [29] [30] Перрат провел компьютерное моделирование сталкивающихся плазменных облаков, которые, как он сообщил, также имитировали форму галактик. [31] Ператт предположил, что галактики образовались из-за соединения плазменных нитей в z-пинче , которые начинаются на расстоянии 300 000 световых лет друг от друга и несут токи Биркеланда силой 10 18 ампер. [32] [33] Ператт также сообщил о проведенном им моделировании, показывающем возникающие струи материала из центральной буферной области, которые он сравнил с квазарами и активными ядрами галактик , возникающими без сверхмассивных черных дыр . Ператт предложил последовательность эволюции галактик : «переход двойных радиогалактик в радиоквазары , к радиоспокойным QSO, к пекулярным и сейфертовским галактикам , заканчивающимся, наконец, спиральными галактиками ». [34] Он также сообщил, что кривые вращения плоских галактик были смоделированы без использования темной материи . [32] В то же время Эрик Лернер , независимый исследователь плазмы и сторонник идей Ператта, предложил плазменную модель 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 крупнейших 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 базовой основы для моделирования астрофизических систем и формирования структур , в то время как астрономия высоких энергий и физика элементарных частиц в космологии дополнительно обращаются к электромагнитным процессам, включая физику плазмы и перенос излучения для объяснения относительно мелкомасштабных энергетических процессов, наблюдаемых в рентгеновских лучах и гамма-лучах . Из-за общей нейтральности заряда физика плазмы не предусматривает очень дальнодействующих взаимодействий в астрофизике, даже если большая часть материи во Вселенной представляет собой плазму . [36] ( Подробнее см. «Астрофизическая плазма» .)
Сторонники плазменной космологии заявляют, что электродинамика так же важна, как и гравитация, для объяснения структуры Вселенной, и предполагают, что она дает альтернативное объяснение эволюции галактик [34] и начального коллапса межзвездных облаков. [23] В частности, утверждается, что плазменная космология дает альтернативное объяснение плоским кривым вращения спиральных галактик и устраняет необходимость в темной материи в галактиках, а также необходимость сверхмассивных черных дыр в центрах галактик для питания квазаров и активных ядра галактик . [33] [34] Однако теоретический анализ показывает, что «многие сценарии генерации зародышевых магнитных полей, которые полагаются на выживание и устойчивость токов в ранние времена [вселенной, не одобряются]», [24] то есть токи Биркеланда. необходимой величины (10 18 ампер в масштабах мегапарсеков) для образования галактик не существует. [37] Кроме того, многие из вопросов, которые были загадочными в 1980-х и 1990-х годах, включая расхождения, связанные с космическим микроволновым фоном и природой квазаров , были решены с помощью большего количества доказательств, которые в деталях обеспечивают шкалу расстояний и времени для Вселенная.
Некоторые из моментов, в которых сторонники плазменной космологии больше всего расходятся со стандартными объяснениями, включают необходимость того, чтобы их модели имели производство легких элементов без нуклеосинтеза Большого Взрыва , который, как было показано в контексте космологии Альфвена-Клейна, производит избыточное X- лучи и гамма-лучи, выходящие за пределы наблюдаемых. [38] [39] Сторонники плазменной космологии выдвинули дополнительные предложения по объяснению содержания легких элементов, но сопутствующие проблемы не были полностью решены. [40] В 1995 году Эрик Лернер опубликовал свое альтернативное объяснение космического микроволнового фонового излучения (CMBR). [41] Он утверждал, что его модель объясняет точность спектра реликтового излучения спектра черного тела и низкий уровень обнаруженной анизотропии, даже несмотря на то, что уровень изотропии 1:10 5 не учитывается с такой точностью какой-либо альтернативой. модели. Кроме того, чувствительность и разрешение измерения анизотропии реликтового излучения были значительно улучшены с помощью WMAP и спутника «Планк» , а статистика сигнала настолько соответствовала предсказаниям модели Большого взрыва, что реликтовое излучение было объявлено основным подтверждение модели Большого взрыва в ущерб альтернативам. [42] Акустические пики в ранней Вселенной с высокой точностью согласуются с предсказаниями модели Большого взрыва, и до сих пор никогда не предпринималось попыток объяснить подробный спектр анизотропии в рамках плазменной космологии или любая другая альтернативная космологическая модель.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )