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 má v blízkosti Země přibližně dipólový charakter, ve větší vzdálenosti je silně deformováno slunečním větrem. Na denní straně je stlačeno do deseti zemských poloměrů, na noční je protaženo až za dráhu Měsíce., 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 600 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