В океане плазмы: четвертое состояние вещества
Большая часть материи во Вселенной находится в «четвертом состоянии вещества». Но так было не всегда.
Алексей Левин
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.
Новорожденная Вселенная
В последние годы астрофизики и космологи пришли к единой точке зрения относительно того, что происходило в нашей Вселенной, когда ее возраст перешел 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 высокоэнергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла порядка 4 триллионов градусов. На десятой микросекунде Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой чудовищной плотности (порядка 100 миллионов 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 плаенты — магнитосферу и ионосферу Земли, а также их взаимодействие с солнечным ветром. Эти взаимодействия вызывают появление полярных сияний и возмущения магнитосферы Земли, что приводит к появлению магнитных бурь и выражается в нарушении радиосвязи, работы электронных приборов и систем энергоснабжения.
На иллюстрации: пять аппаратов выстроены в линию для регистрации состояния различных областей магнитосферы при перезамыкании магнитных линий.
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 миллиардов градусов, когда возраст Мироздания составлял примерно одну секунду. Образование пар (во все в меньшем и меньшем количестве) продолжалось за счет «горячего хвоста» фотонного спектра, однако спустя несколько секунд, когда температура фотонов спустилась ниже 4 миллиардов 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. Эту эру так и называют — радиационной.
Плазма космических пустот
Хотя звездная и околозвездная плазма вносит основной вклад в энергетику Большого Космоса, в общей массе барионной 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 (галактическими кластерами). И 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. Это самое разреженное вещество во Вселенной — на кубометр пространства не приходится и одной протонно-электронной пары (вблизи галактик и галактических кластеров этот показатель выше на один-два порядка). Именно поэтому межгалактическую плазму трудно наблюдать с помощью астрономических приборов. Мы знаем, что поскольку ее частицы могут быть источниками рентгеновского излучения, температура ее составляет от ста тысяч до нескольких миллионов градусов. Кое-какую информацию о межгалактической плазме удается получить при изучении спектров поглощения фотонов атомами элементов тяжелее водорода, — объясняет Эллен Цвейбел, профессор астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне. — Протоны и электроны межгалактической плазмы, как и любые заряженные частицы, взаимодействуют с космическими магнитными полями. Такие поля точно имеются вблизи галактик, однако до сих пор не известно, существует ли единое фоновое магнитное поле, пронизывающее всю Вселенную. Оно вроде бы не могло родиться в ходе Большого Взрыва — во всяком случае, такой вывод следует из его общепринятой теоретической модели. Однако некоторые астрофизики полагают, что такое поле существует, хоть мы не понимаем механизма его возникновения и не в состоянии его померять, поскольку напряженность этого поля 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, миллион частиц на кубометр. Она холоднее межгалактической плазмы и богаче тяжелыми элементами. В ее состав также входят микропылинки, практически отсутствующие в межгалактической среде. Еще одно важное отличие заключается в том, что межзвездная газовая среда преимущественно состоит из нейтральных атомов и молекул, концентрация которых может быть в сотни и даже тысячи раз выше концентрации заряженных частиц. Тем не менее, такая среда хорошо проводит электричество и посему является вполне доброкачественной плазмой. Гравитационные поля могут стягивать частицы межзвездного газа в газо-пылевые облака, из которых рождаются звезды и планетные системы.
Начало нуклеосинтеза
В истории Мироздания очень важна трехминутная отметка. На этой стадии впервые появилась возможность формирования составных ядер — конкретно, ядер дейтерия (протон плюс нейтрон). Энергия связи такого ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре в 25 миллиардов 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 достаточно 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. 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 непереработанный 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.
С момента Большого взрыва события развивались достаточно быстро, так что за достаточно 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).
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 100 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 в ходе 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). Таким образом, гигантское выделение энергии в ходе первичного нуклеосинтеза практически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, это же можно сказать и о двух еще более сильных прогревах Космоса во время аннигиляции кварков и антикварков, а затем электронов и позитронов).