Теория сверхплотных плазмо-флегмовых объектов

Эта статья требует оформления и доводки

Теория сверхплотных плазмо-флегмовых объектов (ТСпфО) утверждает, что во Вселенной существует ранее не изученный класс экзотических астрофизических структур, представляющих собой сверхплотную форму ионизированной материи, находящуюся в особом флегмоплазменном состоянии, промежуточном между классической плазмой и конденсированной энергоматерией, обладающую высокой стабильностью, аномальными электромагнитными свойствами и уникальной внутренней динамикой.

Классификация

• Микро-объекты (Квантовые флегмоиды): Стабильные частицеподобные образования, возникающие при экстремальных энергиях в лабораториях (например, в коллайдерах) или в верхних слоях атмосфер при попадании космических лучей.
• Звездные реликты: Объекты, образующиеся в ядрах коллапсирующих звезд, где давление недостаточно для создания черной дыры, но превышает порог образования нейтронной звезды.
• Первичные (Космологические) объекты: Сверхплотные сгустки, сформировавшиеся в первые секунды после Большого взрыва, которые могут составлять часть «скрытой массы» (темной материи) Вселенной.

Флегмоплазменное состояние характеризуется вязкостью и стабильностью. Объекты делятся по уровню внутреннего взаимодействия:

Тип	Состояние	Описание
Динамические	Низкая вязкость	Близки к классической плазме, обладают высокой турбулентностью и активным излучением.
Квазистационарные	Средняя вязкость	Баланс между электромагнитным удержанием и внутренним давлением; высокая стабильность.
Кристаллизованные	Высокая вязкость	Сверхплотная «замороженная» структура, обладающая свойствами твердого тела при экстремальных температурах.

Классификация по Электромагнитным Свойствам

Уникальность ТСпфО заключается в их аномальном взаимодействии с полями:

• Магнитные доминанты: Объекты с экстремально сильными внутренними токами, генерирующие поля, превосходящие магнетары.
• Экранированные объекты: Флегмо-оболочка полностью поглощает или отражает внешнее излучение, делая объект практически невидимым («темные плазмоиды»).
• Резонансные излучатели: Объекты, пульсирующие на специфических частотах из-за внутренней динамики флегмо-ядра.

Классификация по Внутренней Структуре

• Гомогенные: Однородная сверхплотная среда по всему объему.
• Керновые (Ядерные): Имеют сверхплотное флегмо-ядро и менее плотную плазменную корону (атмосферу).
• Мультислойные: Сложные структуры с чередующимися слоями различной степени ионизации и вязкости, напоминающие «матрешку».

Теория сверхплотных плазмо-флегмовых объектов (ТСпфО)

ТСпфО — гипотетические компактные структуры из сильно ионизованной материи с чрезвычайно высокой плотностью и мощными внутренними полями. Предполагают, что их плотность может приближаться к плотностям, характерным для белых карликов или нейтронных звёзд (ρ ∼10^5-10^15 г/см³). При таких плотностях вещество превращается в электронно-ядерную плазму с вырожденным электронным газом, давление которого подчиняется закону 𝑃 = 𝐾 𝜌 5 / 3 P=Kρ 5/3 и не зависит от температуры. Размеры ТСпфО неизвестны, но допускаются от десятков метров до десятков километров; при радиусе 𝑅 R и плотности 𝜌 ρ масса оценивается по формуле

𝑀 = 4 3 𝜋 𝑅 3 𝜌 . M= 3 4 ​

πR 3 ρ.

Плазма внутри такого объекта, вероятно, высококондукторна и может образовывать «безсилаевое» (force-free) магнитное поле — аналог лабораторных сферомаков. Сферомак — тороидальная плазменная конфигурация, в которой внутренние токи и магнитные поля почти сбалансированы, обеспечивая долгоживущий (~микросекунды) конфайнмент без внешних полей. В случае ТСпфО подобная самодостаточная магнитогидродинамическая структура могла бы поддерживать устойчивость плазмы и изолировать её от окружающей среды. Температура ТСпфО, вероятно, очень велика (миллионы-десятки миллионов K) — достаточно для полной ионизации вещества; однако при вырожденности электронов термические эффекты играют меньшую роль. Электромагнитные свойства включают сильную магнитную проницаемость и высокую проводимость; возможны сильные токи и динамическое размагничивание (аналог токамакового «во вращающемся конусе»).

Расчёт массы по параметрам

Масса ТСпфО при заданных радиусе 𝑅 R и плотности 𝜌 ρ задаётся объёмом сферы и плотностью:

𝑀 = 4 3 𝜋 𝑅 3 𝜌 . M= 3 4 ​

πR 3 ρ.

Для примера рассмотрим несколько комбинаций 𝑅 R и 𝜌 ρ:

Радиус 𝑅 R Плотность 𝜌 ρ Масса 𝑀 M 0.01 км 10 12 10 12

г/см³

2,1 × 10 − 12 𝑀 ⊙ 2,1×10 −12 M ⊙ ​

1 км 10 14 10 14

г/см³

2,1 × 10 − 4 𝑀 ⊙ 2,1×10 −4 M ⊙ ​

10 км 10 12 10 12

г/см³

2,1 × 10 − 3 𝑀 ⊙ 2,1×10 −3 M ⊙ ​

100 км 10 12 10 12

г/см³

2.1 𝑀 ⊙ 2.1M ⊙ ​

Здесь 𝑀 ⊙ M ⊙ ​

– солнечная масса. Из таблицы видно, что при радиусе порядка сотни километров и плотности ~10^12 г/см³ масса достигает нескольких 𝑀 ⊙ M ⊙ ​

, выходя за предел Чандрасекара (≈1.4 𝑀 ⊙ M ⊙ ​

), что приведёт к гравитационному коллапсу. Поэтому ТСпфО ожидаются меньшими или менее массивными, либо поддерживаемыми за счёт электромагнитных сил.

Устойчивость ТСпфО (MHD и квантовая физика)

Классическая МГД-стабильность. Благодаря сильным внутренним магнитным полям возможна конфигурация с почти сбалансированными силами Лоренца (J×B≈0), подобно сферомаку. Такая «безсилаевая» конфигурация может быть долговременной. Магнитное напряжение компенсирует давление плазмы, предотвращая её разлет. С точки зрения термодинамики стабильность требует, чтобы внутренние тепловые потоки и радиационные потери уравновешивались — при высоких плотностях излучение может быть экранировано или перенаправлено по магнитным линиям. Пусть, например, МГД-уравнение равновесия ∇ 𝑃 = 𝑗 × 𝐵 ∇P=j×B выполняется в первом приближении, обеспечивая устойчивость к поверхностному расширению.

Давление вырождения (квантовое). При сверхвысокой плотности основную поддержку могут обеспечивать квантовые эффекты: вырожденный электронный газ создаёт давление 𝑃 ∝ 𝜌 5 / 3 P∝ρ 5/3 , независимое от температуры. Это давление поддерживает белые карлики против гравитации. В ТСпфО аналогично электронная или даже ионная вырожденность может препятствовать уплотнению. Предел Чандрасекара 𝑀 C h ≈ 1.38 - 1.44

𝑀 ⊙ M Ch ​

≈1.38-1.44M ⊙ ​

является верхней массой устойчивого невращающегося вырожденного объекта. Если масса ТСпфО превысит этот предел, под действием собственной гравитации произойдёт коллапс (возможно с образованием нейтронной звезды). Поэтому устойчивые ТСпфО должны иметь 𝑀 ≲ 𝑀 C h M≲M Ch ​

или компенсировать гравитацию другими силами. Для сравнения: белые карлики с массой ~Солнца (радиус ~10^4 км) имеют плотность 10 5 - 10 9 10 5 −10 9

г/см³, нейтронные звёзды (радиус ~10–13 км) –

10 14 - 10 15 10 14 −10 15

г/см³. Если ТСпфО достигают подобных плотностей, разреженная структура может быть квантово-выраженной и выдерживать давление Паули.

Гравитационная стабильность. При очень больших массах гравитация побеждает давление вырождения и магнитные силы. Условие устойчивости можно оценить из соотношения давлений: для вырожденного газа 𝑃 ∼ 𝑀 4 / 3 / 𝑅 4 P∼M 4/3 /R 4 и гравитационной силы 𝜌 𝐺 𝑀 / 𝑅 2 ∼ 𝑀 2 / 𝑅 4 ρGM/R 2 ∼M 2 /R 4 . Вследствие разных степеней роста 𝑀 M получаем существование предельной массы (предел Чандрасекара). Таким образом, квантовая механика и гравитация налагают жёсткие ограничения: без экзотических эффектов (например, распыления на более лёгкие частицы) ТСпфО нельзя слишком массивными.

Иные квантовые эффекты. Если ТСпфО достигают плотности, сравнимой с ядерной, возможна нейтронизация вещества или даже формирование кварковой материи в ядре. Кварк-глюонная плазма известна лишь при экстремальных температурах/давлениях и, согласно некоторым моделям, может образовываться в ядрах нейтронных звёзд. В ТСпфО, будучи «заряженной», такая трансформация вряд ли возможна полностью (плазма всё же содержит электрические заряды), но упоминание QGP подчёркивает экзотичность условий.

Итого, устойчивость ТСпфО обеспечивается сочетанием магнитной конфигурации (подавление разлёта MHD-силами) и выраженного вырожденного давления, удерживающего вещество от сжатия. При этом масса каждого объекта должна быть ниже примерно 1-2 𝑀 ⊙ M ⊙ ​

, иначе неизбежен гравитационный коллапс (и превращение в НЗ или чёрную дыру).

Наблюдаемые свойства

Спектр излучения. Если ТСпфО обладает высокой температурой, оно будет излучать термическое (белое или чернотельное) излучение в рентгене и ультрафиолете. В реальных объектах плотность настолько велика, что излучение может быть поглощено и перераспределено, а наружное излучение — переизлучено магнитосферой. Кроме того, движение зарядов по силовым линиям создаёт синхротронное излучение (радиодиапазон — оптика), поляризованное по характеристикам магнитосферы. Аналогично нейтронным звёздам (пульсарам) спектр может включать резонансные линии, а также широкий синхротронный континуум.

Плазменная частота. Густая плазма обладает собственной плазменной частотой 𝜔 𝑝 = 4 𝜋 𝑛 𝑒 𝑒 2 / 𝑚 𝑒 ω p ​

= 4πn e ​

e 2 /m e ​

​

. При очень высокой плотности 𝑛 𝑒 n e ​

эта частота может достигать радиодиапазона и выше, что сказывается на прозрачности сред: например, низкочастотное излучение ниже 𝜔 𝑝 ω p ​

не проходит через такую среду. Для оценки: при 𝜌 ∼ 10 6 ρ∼10 6 −10^9 г/см³ плотность электронов 𝑛 𝑒 ∼ 10 30 n e ​

∼10 30 −10^{33} см⁻³, что даёт 𝜔 𝑝 ω p ​

порядка 10 12 10 12 - 10 14 10 14 Гц (оптический–УФ диапазон). Таким образом, оптическое излучение может экранироваться, а лишь высокочастотное (рентген–гамма) выходит наружу.

Эффект Фарадея. Излучение, проходящее через намагниченную плазму ТСпфО или её окрестностей, подвержено вращению плоскости поляризации. Угол поворота φ связан с интегралом плотности электронов 𝑛 𝑒 n e ​

и проекции магнитного поля 𝐵 ∥ B ∥ ​

вдоль луча. В простейшей формуле φ ∝ 𝑛 𝑒 𝐵 ∥ 𝐿 𝜆 2 n e ​

B ∥ ​

Lλ 2 , где 𝐿 L — путь. Эксперименты показали, что необычно большие меры вращения (RM) фиксируются для источников FRB, что указывает на прохождение через плотную магнитную плазму. Аналогично, ТСпфО со своей высокоплотной магнитосферой должны вызывать мощное Фарадеево вращение — характерный сдвиг поляризации радиоимпульсов.

ФРБ и γ-всплески. Теоретически ТСпфО могут быть связаны с быстрыми радиовсплесками (FRB) и/или гамма-всплесками. По современным моделям, FRB происходят при мощных взрывах магнитаров или их взаимодействии в двойных системах. Если ТСпфО — это, фактически, «пузырь» плазмы вокруг намагниченного компактного источника (аналог загадочной туманности вокруг некоторых FRB), то взрывообразные перераспределения энергии внутри объекта могут породить короткие радиоимпульсы. Например, в одной модели магнитар выбрасывает поток заряженных частиц («ветер»), раздувая околозвёздный плазменный пузырь, что приводит к постоянному радиоизлучению и периодическим вспышкам. Аналогично, ТСпфО с запасом магнитной энергии могут излучать в высокочастотном диапазоне (X/γ) при разрядках — по аналогии с «мягкими гамма-резидентными повторяющимися» магнитарами. В частности, наблюдения показывают, что магнитары (сверхнамагниченные нейтронные звёзды) вызывают и FRB, и мощные γ- и X-импульсы. Таким образом, ТСпфО можно искать как потенциальные источники «лучей смерти» или FRB.

Аналоги в астрофизике

Пульсары и магнетары (нейтронные звёзды). Нейтронные звёзды — одни из самых плотных стабильных объектов: масса ~1.2-2.3 𝑀 ⊙ M ⊙ ​

, радиус ≈10 км, средняя плотность ~10^14-10^15 г/см³. Они имеют невероятно сильные магнитные поля (пульсары ~10^12 Гс, магнетары ~10^14-10^15 Гс) и заполнены плазмой в магнитосфере. Излучение пульсаров (радиоимпульсы) и SGR-магнетаров (X/γ-всплески) демонстрирует многие характеристики, аналогичные возможным ТСпфО: узкополосные жёсткие импульсы, сильная поляризация, высокие энергии и стабильность периодов.

Коронавные выбросы массы (CME). На Солнце наблюдаются выбросы корональной массы — облака нагретой плазмы, выталкиваемые магнитными полями с поверхности звезды. Недавние наблюдения FRB указывают, что прохождение плотного намагниченного облака между источником и Землёй вызывает резкое изменение поляризации радиоволн (Faraday RM flare). Это показывает, что даже относительно «незвёздные» плазменные образования могут мощно влиять на наблюдаемые сигналы. ТСпфО можно уподобить сверхмощной версии таких облаков — устойчиво замкнутой плазме, окружённой полем.

Рисунок: Модель формирования сферомака (тороидальной плазменной структуры) внутри установки Dynomak. Силы Лоренца внутри сферомака практически сбалансированы, обеспечивая долгоживущий конфайнмент. Аналогичные принципы саморегуляции полей могут действовать в сверхплотных плазмо-флегмовых объектах.

Сферомаки и FRC. В лабораторной МГД-плазме существуют устойчивые компактные конфигурации. Сферомак — сфера/тор, заполненный токами и полями, — показывает, как плазма может быть самофокусирована магнитным полем. Аналогично, ТСпфО можно представить как «космический сферомак»: без внешней камеры, но с самодостаточным магнитным полем. Другой вариант — FRC (field-reversed configuration), где тороидальное поле отсуствует, но устойчивость обеспечивается поверхностным током. Эти механизмы показывают, что плазма способна формировать стабильные «оболочки» — возможный аналог самосохранения ТСпфО.

Кварк-глюонная плазма. В физике высоких энергий кварк-глюонная плазма (КГП) образуется при крайне высоких температурах (ЛХК, RHIC) и, возможно, в центрах нейтронных звёзд. Это состояние вещества, когда кварки и глюоны свободны. Хотя ТСпфО далеко не такая горячая, упоминается КГП как напоминание о том, насколько экзотичными могут быть условия. Кроме того, есть гипотезы о «капельках КГП» внутри тяжёлых ядер. По аналогии можно представить, что при максимальном сжатии любой материи (как в ТСпфО) могут проявляться подобные эффекты резонансных частиц.

Возможности обнаружения

Если такие объекты существуют, их можно искать по специфическим сигнатурам:

Радио-телескопы. Поскольку ТСпфО могут излучать в радио (особенно при взрывной разрядке), их стоит искать как источники быстрых импульсов (аналог FRB). Мощные телескопы: FAST, CHIME, SKA, LOFAR и т. д., предназначенные для обнаружения импульсов и радиоисточников, могут зафиксировать повторяющиеся или одиночные всплески от ТСпфО. Уже известно, что, например, FAST обнаружил FRB, а массив VLA — постоянное излучение, связанное с FRB. При близком расстоянии к Земле ТСпфО возможно увидеть как яркий пульсирующий радиоисточник (по аналогии с пульсарами).

Рентген- и γ-телескопы. Если при разрядке ТСпфО выделяется высокоэнергетическое излучение (как в SGR/мягких гамма-всплесках магнитаров), то обсерватории типа Chandra, XMM-Newton, Swift, NICER могут зафиксировать короткие рентгеновские/гамма-вспышки. Совпадение таких вспышек с радиоимпульсом (как у FRB 121102) было уже отмечено. Кроме того, постоянное рентгеновское излучение от нагретой плазмы или ударных волн, например, в составных системах, тоже может быть признаком ТСпфО.

Оптические и инфракрасные телескопы. Если ТСпфО сопровождаются горячим газом или ударными волнами, возможен слабый оптический свет — например, при сбрасывании материи или взаимодействии с окружением. Такие слабые оптические трансценденты (например, «минутные вспышки») могли бы зарегистрировать широкопольные обсерватории типа ZTF, LSST (Vera Rubin) или космические телескопы (Hubble, JWST). Однако из-за высокой плотности среды оптическое излучение может быть экранировано, поэтому основное внимание — в радио и рентгене.

Радиовоздействие на среду. ТСпфО с мощным магнитным полем будут вызывать заметные изменения в окружающей среде: резкие повороты плоскости поляризации и дисперсию радиоволн от фоновых источников (эффект Фарадея), как это было наблюдалось для FRB. Поэтому целесообразно искать источники со сверхбольшим вращением плоскости поляризации (RM), ассоциированные с загадочными радио- или гамма-вспышками.

10 − 12 10 −12 - 10 − 3 𝑀 ⊙ 10 −3 M ⊙ ​

для мелких (метры–километры) объектов, а большие (десятки км) превысят предел Чандрасекара и неустойчивы.

Устойчивость ТСпфО должна обеспечиваться сочетанием электромагнитных (магнитные поля, токи) и квантовых (давление вырожденности) сил. Наблюдательно они могли бы проявляться как источники мощного поляризованного излучения: пульсирующие радиоимпульсы, связанные постоянные радио-«туманности» (плазменные пузыри), а также рентгено- и гамма-всплески. Аналоги в природе — пульсары и магнитары, корональные выбросы и лабораторные сферомаки — демонстрируют сходные явления стабилизации плазмы и излучения.

Выявление ТСпфО потребует комплексных наблюдений: чувствительные радиотелескопы (для коротких импульсов и постоянного радиоизлучения), рентгеновские обсерватории (для вспышек и нагретой плазмы) и поляриметрические измерения (для эффекта Фарадея). В случае обнаружения объектов с указанными признаками — экстремально большой плотностью и поляризацией — это стало бы свидетельством новой формы плазменной материи в космосе. До появления таких наблюдений статус ТСпфО остаётся теоретическим, но представленные модели и критерии дают основу для их дальнейшего изучения.

Источники: физика плазмы и астрофизики (теория вырожденного газа, предел Чандрасекара, МГД-конфигурации и сферомаки), последние исследования FRB и магнитаров, а также учебные данные по нейтронным звёздам.

Примечания

О статусе «флегмы» как состояния материи

Термин плазмо-флегма в рамках ТСпфО вводится операционально, а не как строго установленное агрегатное состояние. Под ним понимается режим ионизированной материи, в котором:

• коллективные эффекты (поля, токи, корреляции) доминируют над кинетикой отдельных частиц;
• эффективная вязкость и связность плазмы значительно выше, чем у классической плазмы;
• динамика описывается не только уравнениями МГД, но и требует учёта квантово-статистических эффектов.

О границе применимости классической физики

Классическая магнитогидродинамика корректна лишь при масштабах:

• больше длины Дебая,
• больше длины свободного пробега частиц,
• при не слишком сильной вырожденности.

При плотностях, близких к:

𝜌 ≳ 10 6 - 10 9

г/см 3 ρ≳10 6 −10 9 г/см 3 , МГД остаётся формально применимой, но коэффициенты (давление, вязкость, проводимость) уже должны выводиться из квантовой статистики.

Литература

1. Фортов В. Е. «Энциклопедия неидеальной плазмы».
2. Bonitz, M., et al. «Introduction to Complex Plasmas»
3. Грэйсон С., и др. Исследования по теме «Gravastars»

Источники

• «Waves in plasmas» — статья в Английской Википедии
• Нейтронные звезды и пульсары — physics42.ru
• Дарья Пашкевич Плазменные пузыри и магнетары пролили свет на тайны быстрых радиовсплесков — hi-tech.mail.ru, 13 октября 2024