Plazmový vesmír | Úvod

Uvádí se, že 99 % veškeré hmoty ve vesmíru je v plazmovém skupenstvíPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.. Jen my máme to štěstí, že žijeme na naší ZemiZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru., která patří k onomu jednomu procentu hmoty ve skupenství jiném. Ale i na Zemi nalezneme plazma: v kanálech blesků, v ionosféře, v polárních zářích a v magnetosféře Země. Ve sluneční soustavě se plazma nachází ve slunečním větru, v magnetosférách planet a komet. V okolí Jupiteru a Saturnu dokonce plazma vytváří obří plazmové torusy. Samo SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. i ostatní hvězdy jsou velké plazmové koule a takové jevy jako sluneční skvrny, spikule, chromosférické erupce a protuberance patří k typickým projevům plazmatu.

K typickým plazmovým útvarům patří všechny hvězdy. Ale i drtivá většina mlhovin v galaxiích je tvořena rozsáhlými oblaky plazmatu. V mlhovinách pozorujeme typické plazmové projevy – filamentaci způsobenou elektrickými a magnetickými poli, urychlování částic na značné energie a vyzařování způsobené různými mechanizmy. V blízkosti centra Galaxie se pozorují rozsáhlá plazmová vlákna s délkou kolem 250 světelných roků kolmá na rovinu Galaxie. V ostatních galaxiích jsou podobné útvary sledovány zejména v jádrech aktivních galaxiíAGN – Active Galactic Nuclei, aktivní jádra galaxií. Tato jádra produkují netepelné pulzní UV a RTG záření, v centru sídlí velmi hmotná černá díra obklopená akrečním diskem (n ~ 10¹⁶ cm^-3, T ~ 10⁵ K, B ~ 0,2 T). Přepojení silokřivek magnetického pole je doprovázeno ohřevem elektronů až na 10⁹ K a rentgenovým či gama zábleskem. Existuje celá řada galaxií s aktivními jádry, například Seyfertovy galaxie, linery, blazary a kvazary.. Blízké galaxie jsou propojeny vodíkovými plazmovými mosty (například naše Galaxie s Magellanovými mračny). Charakteristické výtrysky u kvazarůKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a ob­rov­ský zářivý výkon v celém spektru (10³⁵ až 10⁴⁰ W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno roz­pí­ná­ním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty. a některých aktivních jader galaxií jsou opět plazmové útvary a podvojná radiová struktura často pozorovaná u těchto objektů má svůj původ ve vlastnostech plazmatu. Numerické simulace posledních let ukazují, že plazmové jevy měly často dominantní úlohu při vytváření hvězd z protohvězdných oblaků a umožnily vytvoření počátečních globulí bez splnění Jeansova kritériaJeansovo kritérium – hvězdy mohou vznikat jen v mlhovinách větších a hmotnějších než je určitá kritická mez. Typické zárodečné mlhoviny mají rozměry 20÷30 ly a hmotnosti 100÷1000 M_S. V přítomnosti magnetického pole Jeansovo kritérium neplatí a hvězdy mohou vznikat i v menších mlhovinách. na minimální velikost mlhoviny i bez "startovací" rázové vlny od blízké supernovy. Stejně tak numerické simulace ukazují, že spirální ramena galaxií mohou být důsledkem elektromagnetické interakce a globálních magnetických polí, nikoli jen gravitačním projevem. Dnes se také zdá, že část nejenergetičtějších přirozených částic, které pozorujeme v kosmickém zářeníKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., byla urychlena ve vesmírných plazmových vláknech s elektrickými dvojvrstvami. Celkový obraz našeho vesmíru se tak mění. Vesmír, to není jen gravitační interakce, jak jsme si po staletí mysleli. K utváření vesmíru přispívá stejnou měrou elektromagnetická interakce a její projevy. S nástupem rentgenových družic posledních let jsme se dočkali doslova útoku fyziky plazmatu na náš vesmír.

Pro člověka jsou asi nejznámějším příkladem plazmatu blesky. A nejenom ty, které vznikají mezi bouřkovým oblakem a zemí. Existují i blesky nadoblačné – mezi horní hranicí bouřkového oblaku a dolní hranicí ionosféry (viz AB 44/2015). S blesky se nesetkáváme jen na Zemi, ale i na některých planetách: Venuši, Jupiteru, Saturnu a pravděpodobně i na dalších tělesech. Na Zemi je typická energie blesku 6×10⁸ J, na Venuši 2×10¹⁰ J a na Jupiteru dokonce 3×10¹² J.

Blesky na Zemi
průměr vodivého kanálu	~ 5 cm
délka kanálu	~ 3 km
elektrický proud	~ 200 kA
teplota	~ 30 000 K
doba života	~ 10−4 s
rychlost pohybu	~ 0,1 c (30 000 km/s)
energie	~ 6×108 J
sběrná oblast náboje	~ 3 000 km3