Plasmakosmologi - Plasma cosmology

Hannes Alfvén foreslo at skaleringslaboratoriets resultater kan ekstrapoleres opp til universets skala. Et skaleringshopp med faktor 10 9 var nødvendig for å ekstrapolere til magnetosfæren , et andre hopp for å ekstrapolere til galaktiske forhold, og et tredje hopp for å ekstrapolere til Hubble -avstanden .

Plasmakosmologi er en ikke-standard kosmologi hvis sentrale postulat er at dynamikken i ioniserte gasser og plasma spiller viktige, om ikke dominerende, roller i universets fysikk utover solsystemet . I motsetning til dagens observasjoner og modeller av Kosmologer og astrophysicists forklare dannelsen, utvikling, og utviklingen av himmellegemer og store strukturer i universet som påvirkes av tyngdekraften (inkludert dets formulering i Albert Einstein 's generelle teori relativitets) og baryonisk fysikk .

Noen teoretiske begreper om plasmakosmologi stammer fra Hannes Alfvén , som foreløpig foreslo bruk av plasmaskala for å ekstrapolere resultatene av laboratorieeksperimenter og plasmafysikkobservasjoner og skalere dem over mange størrelsesordener opp til de største observerbare objektene i universet (se boks ).

Kosmologer og astrofysikere som har evaluert plasmakosmologi avviser det fordi det ikke stemmer overens med observasjonene av astrofysiske fenomener så vel som dagens kosmologiske teori. Svært få artikler som støtter plasmakosmologi har dukket opp i litteraturen siden midten av 1990-tallet.

Begrepet plasmaunivers brukes noen ganger som et synonym for plasmakosmologi, som en alternativ beskrivelse av plasmaet i universet.

Alfvén – Klein kosmologi

På 1960 -tallet ble teorien bak plasmakosmologi introdusert av Alfvén, en plasmaekspert som vant Nobelprisen i fysikk i 1970 for sitt arbeid med magnetohydrodynamikk . I 1971 utvidet Oskar Klein , en svensk teoretisk fysiker de tidligere forslagene og utviklet Alfvén – Klein -modellen av universet , eller "metagalaksen", et tidligere begrep som brukes for å referere til den empirisk tilgjengelige delen av universet, snarere enn hele universet inkludert deler utenfor partikkelhorisonten vår . I denne Alfvén – Klein -kosmologien , noen ganger kalt Klein – Alfvén -kosmologien , består universet av like store mengder materie og antimateriale, med grensene mellom materieområdene og antimateriale avgrenset av kosmiske elektromagnetiske felt dannet av doble lag , tynne områder som består av to parallelle lag med motsatt elektrisk ladning. Interaksjon mellom disse grenseområdene ville generere stråling, og dette ville danne plasmaet. Alfvén introduserte begrepet ambiplasma for et plasma som består av materie og antimateriale, og de doble lagene er dermed dannet av ambiplasma. Ifølge Alfvén ville et slikt ambiplasma være relativt lang levetid da komponentpartiklene og antipartiklene ville være for varme og for lave tettheter for å utslette hverandre raskt. De doble lagene vil virke for å avvise skyer av motsatt type, men kombinere skyer av samme type, og skape stadig større områder av materie og antimateriale. Ideen om ambiplasma ble videreutviklet til formene tungt ambiplasma (protoner-antiprotoner) og lett ambiplasma (elektron-positroner).

Alfvén - Klein kosmologi ble delvis foreslått for å forklare den observerte baryonasymmetrien i universet, med utgangspunkt i en innledende tilstand av eksakt symmetri mellom materie og antimateriale. I følge Alfvén og Klein ville ambiplasma naturlig danne lommer av materie og lommer med antimateriale som ville ekspandere utover etter hvert som utslettelse mellom materie og antimateriale skjedde i dobbeltlaget ved grensene. De konkluderte med at vi bare måtte bo i en av lommene som hovedsakelig var baryoner i stedet for antibaryoner, og forklarte baryonasymmetrien. Lommene eller boblene til materie eller antimateriale vil utvide seg på grunn av utslettelser ved grensene, som Alfvén betraktet som en mulig forklaring på den observerte ekspansjonen av universet , som bare ville være en lokal fase i en mye større historie. Alfvén postulerte at universet alltid har eksistert på grunn av årsakssammenhenger og avvisning av ex nihilo -modeller, for eksempel Big Bang , som en skjult form for kreasjonisme . Det eksploderende dobbeltlaget ble også foreslått av Alfvén som en mulig mekanisme for generering av kosmiske stråler , røntgenstråler og gammastrålespreng .

I 1993 kritiserte den teoretiske kosmologen Jim Peebles Alfvén-Klein kosmologi og skrev at "det er ingen måte at resultatene kan være i samsvar med isotropien til den kosmiske mikrobølgebakgrunnstrålingen og røntgenbakgrunnen ". I sin bok viste han også at Alfvéns modeller ikke forutsier Hubbles lov , overflod av lyselementer eller eksistensen av den kosmiske mikrobølgeovnen . En ytterligere vanskelighet med den ambiplasma modellen er at matter-anti tilintetgjørelse resulterer i produksjon av høye energi fotoner , som ikke observeres i de mengder som forutses. Selv om det er mulig at den lokale "materiedominerte" cellen ganske enkelt er større enn det observerbare universet , egner denne proposisjonen seg ikke til observasjonstester.

Plasmakosmologi og studiet av galakser

Hannes Alfvén fra 1960- til 1980 -årene hevdet at plasma spilte en viktig om ikke dominerende rolle i universet fordi elektromagnetiske krefter er langt viktigere enn tyngdekraften når de virker på interplanetære og interstellare ladede partikler . Han antok videre at de kan fremme sammentrekning av interstellare skyer og til og med kunne utgjøre hovedmekanismen for sammentrekning, som starter stjernedannelse . Det nåværende standardbildet er at magnetfelt kan hindre kollaps, at store Birkeland-strømmer ikke har blitt observert, og at lengdeskalaen for ladningsnøytralitet er spådd å være langt mindre enn de relevante kosmologiske skalaene.

På 1980- og 1990 -tallet skisserte Alfvén og Anthony Peratt , plasmafysiker ved Los Alamos National Laboratory , et program de kalte "plasmauniverset". I forslag til plasmaunivers ble ulike plasmafysikkfenomener assosiert med astrofysiske observasjoner og ble brukt til å forklare samtidsmysterier og problemer som var enestående innen astrofysikk på 1980- og 1990 -tallet. På forskjellige arenaer profilerte Peratt det han karakteriserte som et alternativt synspunkt til de vanlige modellene som ble brukt i astrofysikk og kosmologi.

For eksempel foreslo Peratt at den vanlige tilnærmingen til galaktisk dynamikk som var avhengig av gravitasjonsmodellering av stjerner og gass i galakser med tillegg av mørk materie, overset et mulig stort bidrag fra plasmafysikk. Han nevner laboratorieforsøk av Winston H. Bostick på 1950 -tallet som skapte plasmautladninger som så ut som galakser. Perrat utførte datasimuleringer av kolliderende plasmaskyer som han rapporterte også etterlignet formen på galakser. Peratt foreslo at galakser ble dannet på grunn av plasmafilamenter som gikk sammen i en z-klype , filamentene startet med 300 000 lysår fra hverandre og hadde Birkeland-strømmer på 10 18 ampere. Peratt rapporterte også simuleringer han gjorde som viste nye stråler av materiale fra den sentrale bufferregionen som han sammenlignet med kvasarer og aktive galaktiske kjerner som forekom uten supermassive sorte hull . Peratt foreslått en sekvens for Galaxy evolusjon : "overgangen av doble radio galakser til radioquasars til radioquiet motstasjonens er å særegne og Seyfert galakser , til slutt ender i spiralgalakser ". Han rapporterte også at flate galakserotasjonskurver ble simulert uten mørk materie . Samtidig foreslo Eric Lerner , en uavhengig plasmaforsker og tilhenger av Peratts ideer, en plasmamodell for kvasarer basert på et tett plasmafokus .

Sammenligning med vanlig astrofysikk

Standard astronomisk modellering og teorier prøver å inkorporere all kjent fysikk i beskrivelser og forklaringer av observerte fenomener, hvor tyngdekraften spiller en dominerende rolle på de største skalaene så vel som i himmelsk mekanikk og dynamikk . For dette formål, både Keplerian baner og Albert Einstein 's generelle relativitetsteori blir generelt brukt som de underliggende rammeverk for å modellere astrofysiske systemer og strukturdannelse , mens høy-energi astronomi og partikkel fysikk i kosmologi tillegg appellere til elektromagnetiske prosesser, inkludert plasmafysikk og strålingsoverføring for å forklare relativt små skala energiske prosesser observert i røntgenstråler og gammastråler . På grunn av generelle ladningsnøytralitet , plasmafysikk gir ikke for svært langtrekkende interaksjoner i astrofysikk selv mens mye av materie i universet er plasma . (Se astrofysisk plasma for mer.)

Tilhengere av plasmakosmologi hevder elektrodynamikk er like viktig som tyngdekraften for å forklare universets struktur, og spekulerer i at det gir en alternativ forklaring på utviklingen av galakser og den første kollapsen av interstellare skyer. Spesielt hevdes plasmakosmologi å gi en alternativ forklaring på de flate rotasjonskurvene til spiralgalakser og for å fjerne behovet for mørkt materiale i galakser og med behovet for supermassive sorte hull i galaksesentre for å drive kvasarer og aktive galaktiske kjerner . Imidlertid viser teoretisk analyse at "mange scenarier for generering av frømagnetfelt, som er avhengige av strømmenes overlevelse og bærekraftighet i tidlige tider [i universet er ugunstige]", dvs. Birkeland -strømmer av den nødvendige størrelsen (10 18 ampere over skalaer på megaparsek) for dannelse av galakser finnes ikke. I tillegg er mange av problemene som var mystiske på 1980- og 1990 -tallet, inkludert avvik knyttet til den kosmiske mikrobølgeovnen og kvasarenes natur , blitt løst med flere bevis på at det i detalj gir en avstand og tidsskala for universet.

Noen av stedene der plasmakosmologi-støttespillere er mest i strid med standardforklaringer, inkluderer behovet for at modellene deres skal produsere lyselementer uten Big Bang-nukleosyntese , som i sammenheng med Alfvén – Klein-kosmologi har vist seg å produsere overdreven X- stråler og gammastråler utover det som observeres. Plasmakosmologi -forkjempere har kommet med ytterligere forslag for å forklare overflod av lyselementer, men de påfølgende problemene har ikke blitt fullstendig behandlet. I 1995 publiserte Eric Lerner sin alternative forklaring på den kosmiske mikrobølge bakgrunnsstrålingen (CMBR). Han argumenterte for at modellen hans forklarte troheten til CMB -spekteret til den til en svart kropp og det lave nivået av anisotropier som ble funnet, selv om nivået av isotropi ved 1:10 5 ikke er redegjort for den presisjonen av noen alternative modeller. I tillegg ble følsomheten og oppløsningen for måling av CMB -anisotropiene sterkt avansert av WMAP og Planck -satellitten, og statistikken over signalet var så i tråd med spådommene til Big Bang -modellen, at CMB har blitt varslet som en major bekreftelse av Big Bang -modellen til skade for alternativer. De akustiske toppene i det tidlige universet passer med stor nøyaktighet etter forutsigelsene til Big Bang -modellen, og til dags dato har det aldri vært et forsøk på å forklare det detaljerte spekteret av anisotropiene innenfor rammen av plasmakosmologi eller noe annet alternativ kosmologisk modell.

Referanser og notater

Videre lesning

Eksterne linker