Плазменная астрофизика

Пла́зменная астрофи́зика — раздел астрофизики, в котором астрономические объекты и явления изучаются методами физики плазмы.

В широком смысле цель плазменной астрофизики состоит в изучении и описании поведения плазмы с целью понять детальную эволюцию различных объектов, наблюдаемых во Вселенной — от звёзд и планетных систем до галактик и скоплений галактик.

К важным явлениям, изучаемым в рамках плазменной астрофизики, относят эффекты сжимаемости и эффекты внешнего магнитного поля.

История

Начало серьёзных экспериментальных и теоретических исследований физики плазменных явлений относят к 1961—1962 годам.

Основы плазменной астрофизики заложены в начале 1990-х годов в ходе исследований магнитогидродинамических и кинетических процессов в короне Солнца и солнечном ветре.

В России

В 1976 году (с 28 июля по 3 августа) в Иркутске прошла Всесоюзная конференция по плазменной астрофизике.

В 2010 году прошёл симпозиум Международного астрономического союза «Достижения в плазменной астрофизике». Он был посвящен актуальным исследованиям и перспективам изучения плазмы во Вселенной. Этот симпозиум был ориентирован на многие области астрофизики, включая зарождение и динамику магнитных полей в астрофизических системах, изучение магнитного пересоединения, ускорения заряженных частиц и космических лучей, астрофизические струи, радиационные процессы и турбулентность в магнитной плазме астрофизических объектов и другие области.

Место среди других научных направлений

Плазменная астрофизика изучает плазменные системы очень больших размеров. Для большинства из них характерно отсутствие резких границ, поэтому плазменную астрофизику можно считать разделом физики плазмы, который решает определённый круг задач и применяет специфические методы. Так, в рамках плазменной астрофизики «функционирует» теория магнитного пересоединения, в которой отсутствуют ограничения, связанные с резкими границами. Магнитное пересоединение лежит в основе многих нестационарных явлений в космической плазме, сопровождаемых быстрыми направленными течениями плазмы, ударными волнами, мощными потоками частиц высоких энергий и жёсткого электромагнитного излучения. Из этих явлений наиболее доступными для изучения являются солнечные вспышки. На космологических масштабах эффект магнитного пересоединения проявляет себя, судя по всему, в виде гамма-всплесков в неравновесных магнитосферах релятивистских компактных объектов.

Объект исследования

Свечения от относительно холодной плазмы, окружающей планету Земля. Фотолитография в глубоком ультрафиолете

К объектам исследования плазменной астрофизики 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 межгалактическая среды, галактики и квазары. Современная плазменная астрофизика изучает практически все астрономические объекты, содержащие плазму и магнитные поля, исследуя широкий спектр астрономических явлений от солнечных вспышек до гамма-всплесков.

Плазменная астрофизика объединяет в себе все направления астрофизики с точки зрения плазменных и гидродинамических явлений в астрономических объектах.

Описание плазмы

В плазменной астрофизике космическую 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 описания системы с большим числом частиц используют кинетические уравнения, дающие статистически усреднённое описание плазмы.

В зависимости от рассматриваемых объектов в плазменной астрофизике используют две основные модели (описываемые разными кинетическими уравнениями): бесстолкновительной плазмы (что применимо, например, для описания межгалактической среды) и столкновительной плазмы (например, для описания атмосфер звёзд).

В случае частых кулоновских столкновений и низких характерных частот изучаемого явления плазма рассматривается как непрерывная проводящая среда, находящаяся в магнитном и гравитационном полях, — магнитогидродинамическое приближение. Соответствующий раздел плазменной астрофизики называется космической магнитогидродинамикой. Для описания физических процессов в разреженной плазме широко используется промежуточная модель слабостолкновительной плазмы.

Так как космическая плазма может иметь сравнительно низкую плотность, заметная часть её энергии может перейти в электромагнитное излучение. В свою очередь, электромагнитные волны ускоряют заряженные частицы, причём в силу огромных размеров космических плазменных систем частицы могут быть ускорены до космических лучей высоких энергий.

В общем случае внешнее воздействие (например, 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. Традиционный подход к изучению турбулентных процессов в космической 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 астрофизических приложений (от солнечных радиовсплесков до гигантских «турбулентных котлов», существование которых предполагается для объяснения космологических гамма-всплесков).

Результаты исследований

Основные результаты, полученные при изучении астрофизической плазмы, находящейся в экстремальных условиях, связаны с интерпретацией наблюдаемых спектральных и временных особенностей излучения различных компактных объектов, диагностикой физических условий в их «окрестности», анализом кинетических процессов в плазме релятивистских джетов и ударных волн и построением моделей аккреционных дисков, источников гамма-всплесков, микроквазаров и активных ядер галактик.

Литература

• Леденцов Леонид Сергеевич Лекции по плазменной астрофизике : классические основы теории. — Москва: Издательство Московского университета, 2023. — 424 с.
• Холтыгин А. Ф. Диагностика астрофизической плазмы. — СПб.: Изд-во ВВМ, 2013. — 150 с.
• Федотова М. А., Климачков Д. А., Петросян А. С. Волновые процессы в плазменной астрофизике // Физика плазмы. — 2023. — Vol. 49. — № 3. — С. 209—259. — DOI:10.31857/S0367292122601229
• Benz A. Plasma Astrophysics. — Dordrecht, 2002.
• Diamond P.H., Itoh S.I., Itoh K. Modern Plasma Physics. — Cambridge, 2010.
• Goossens M. An introduction to plasma astrophysics and magnetohydrodynamics. — Springer Science & Business Media, 2003.
• Somov B.V. Plasma Astrophysics, Part I, Fundamentals and Practice. — Springer. — New York, 2013.
• Somov B.V. Plasma Astrophysics, Part II, Reconnection and Flares. — Springer. — New York, 2013.

Ссылки

• Сомов Борис Всеволодович Плазменная астрофизика (рус.) (2022-06-06). Проверено 1 декабря 2023.

Одним из источников этой статьи является статья в википроекте «Рувики» («Багопедия», «ruwiki.ru») под названием «Плазменная астрофизика», находящаяся по адресу: «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Плазменная_астрофизика» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?»