Космическая и астрофизическая плазма

1.

Плазма
Часть 3
Космическая и
астрофизическая плазма
Учитель физики Яковлева Татьяна Юрьевна.
Школа № 377
Санкт - Петербург

2.

Космическая и астрофизическая
плазма
Солнце и другие звезды (те, которые
существуют за счет термоядерных
реакций);
- Солнечный ветер;
- Космическое пространство (пространство
между планетами, звездами и
галактиками);
- Межзвездные туманности.
-

3.

Космический телескоп "Хаббл" обращается по
полярной орбите на расстоянии 600 км от Земли с
1990 г. На его счету около миллиона снимков 22
тысяч космических объектов. С его помощью ученые
смогли проверить и подтвердить свои теории о
темной материи, квазарах, черных дырах и возрасте
нашей Вселенной. Было затрачено на сооружение
телескопа 1,5 млрд $.
http://www.bbc.co.uk/russian/science/2010/05/100521_hubble_at_20

4.

По сегодняшним представлениям, фазовым
состоянием большей части барионного вещества (по
массе около 99,9 %) во Вселенной является плазма.
Все звезды состоят из плазмы, и даже пространство
между ними заполнено плазмой, хотя и очень
разреженной. Масса Солнца составляет 99,866 % от
суммарной массы всей Солнечной системы.
Мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое
пространство и несущие на себе определенный
электрический заряд, в совокупности могут быть
рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых
заряженных ионов.
Практически все вещество Солнечной системы,
находящееся в «неплазменном» состоянии (то есть в
жидком, твердом и газообразном) сосредоточила в себе
планета Юпитер. При этом масса Юпитера (1,8986·1027 кг)
составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной
системы, а объём (1,43128·1015 км³) - всего 10−15 %.

5.

Звезда — излучающий свет массивный газовый шар,
удерживаемый силами собственной гравитации и
внутренним давлением, в недрах которого происходят
(или происходили ранее) реакции термоядерного
синтеза. Вследствие высокой температуры Солнце
и другие звезды состоят в основном из полностью
ионизованной плазмы.
Энергия подавляющего большинства звёзд выделяется
в результате термоядерных реакций превращения
водорода в гелий, происходящих при высоких
температурах во внутренних областях.
Температура вещества в недрах звёзд измеряется
миллионами кельвинов, а на их поверхности —
тысячами кельвинов.
Ближайшей к Земле звездой является Солнце —
типичный представитель спектрального класса G.

6.

Ультраглубокое поле «Хаббла».
Чтобы получить этот снимок,
потребовалось более 800
снимков, по два на виток
телескопа вокруг Земли.
400 витков, 1 миллион секунд
всматривания в крошечный
участок небесной сферы. Общая
выдержка составила 11,3 суток.
Как результат, на снимке
проявилось около 10000
галактик, самые слабые из
которых имеют 30-ю звездную
величину. Некоторые из этих
галактик находятся от нас на
расстоянии более 12
миллиардов световых лет.
На снимке мы видим их в эпоху,
когда Вселенная была очень
молода. Ультраглубокое поле
«Хаббла» охватывает лишь одну
13-миллионную часть неба.
Чтобы сфотографировать все
небо с такой четкостью и
глубиной, телескопу
потребовался бы миллион лет
непрерывной работы. Фото: NASA,
http://fototelegraf.ru/?p=125579
ESA, S. Beckwith (STScl), HUDF Team.

7.

Невооруженным взглядом (при хорошей остроте
зрения) на небе видно около 6000 звёзд, по 3000
звезд в каждом полушарии. Все видимые с Земли
звёзды (включая видимые в самые мощные
телескопы) находятся в местной группе галактик.
Ближайшей к Солнцу звездой является
Проксима Центавра. Она расположена на
расстоянии 4,2 светового года (4,2 св. лет = 39
Пм = 39 триллионов км = 3,9·1013 км) от центра
Солнечной системы, что в 270 000 раз больше
расстояния от Земли до Солнца (1 а.е.).
(1015 м = 1 Пм (петаметр),
1 св.год = 9 460 730 472 580 800 метрам
(примерно 9,5 петаметрам или 9,46
квадриллионам метров) = 63 241,077
астрономической единицы (а. е.) =
0,306 601 парсека).

8.

Proxima (лат. «ближайшая») — красный карлик, относящийся к
звездной системе Альфа Центавра, ближайшая к Земле
звезда после Солнца. В 2002 году с использованием метода
оптической интерферометрии было вычислено, что угловой
диаметр Проксимы Центавра составляет 1,02 ± 0,08 угловых
миллисекунды. Отсюда, с учётом расстояния до звезды
(4,2 св. года = 39 триллионов км), следует, что фактический
диаметр Проксимы Центавра примерно в 7 раз меньше
диаметра Солнца и только в 1,5 раза больше диаметра
Юпитера. Масса Проксимы Центавра также примерно в
7 раз меньше массы Солнца и в 150 раз больше массы
Юпитера.
http://www.nasa.gov/content/goddard/hubbles-new-shot-of-proxima-centauri-our-nearest-neighbor/#.VGfQldvSVko

9.

Спиральная галактика M106.

10.

Модель эволюции V339 Дельфина с самого начала до сегодняшнего дня.
V339 Дельфина или Новая Дельфина 2013 была открыта в августе 2013 года в момент резкого
увеличения своего блеска в сто раз. В момент открытия, блеск V339 Дельфина составлял 6,8m,
но спустя два дня он увеличился до 4,3m, что стало максимумом новой звезды. После этого
блеск начал уменьшатся, причем с примерной скоростью 0,17m в день. Исходя из таких данных,
астрофизикам удалось подсчитать, что небесный объект находится на расстоянии около
14800 световых лет от нашего Солнца. Судя по известным признакам, V339 Дельфина
является классической новой звездой, которая увеличила свой блеск за счет своего соседа по
двойной звездной системе. Явления, когда в тесной системе двух звезд на поверхность белого
карлика перетекает вещество от его ближайшего соседа сверхгиганта, которое в итоге
нагревается до критической температуры и взрывается, называются классическими. В первый
день резкого увеличения блеска, V339 Дельфина по размерам превышала орбиту Земли вокруг
Солнца, а спустя два дня это была уже орбита Марса. Если бы расширение продолжалось, то
спустя 10 дней размеры новой Дельфина 2013 превысили бы орбиту Юпитера, а спустя еще 30
дней – орбиту Нептуна. Но это был термоядерный взрыв, в результате чего все вещество
начало возвращаться на поверхность белого карлика.
http://astrofishki.net/universe/novaya-v339-delfina/

11.

Солнечный ветер
Солнечный ветер (англ. Solar wind) — поток суперионизированных частиц (в основном гелиево-водородной
плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью
300—1200 км/с в окружающее космическое пространство.
Является одним из основных компонентов
межпланетной среды. Атмосфера Земли задерживает
ультрафиолетовое и другие жесткие излучения.
Магнитосфера защищает от солнечного ветра,
ионизированного потока частиц.
Солнечный ветер пронизан
межпланетным магнитным
полем, которое представляет
собой главным образом
магнитное поле Солнца,
переносимое плазмой
солнечного ветра на
дальние
Солнечный ветер и магнитосфера Земли
расстояния.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EE%EB%ED%E5%F7%ED%FB%E9_%E2%E5%F2%E5%F0

12.

Солнечный ветер
Солнечный ветер представляет
собой быстрый поток горячей
плазмы, уходящей от Солнца во
всех направлениях. Из-за него
Солнце теряет ежесекундно около Деформация магнитосферы планеты звездным ветром
одного миллиона тонн вещества.
Солнечный ветер состоит в основном из электронов,
протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других
элементов и неионизированных частиц (электрически
нейтральных) содержатся в очень незначительном
количестве. В целом он квазинейтрален. Типичная скорость
солнечного ветра на границе земной магнитосферы 300—800
км/с.
Солнечный
Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает
ветер
реального состава элементов в этом слое, так как в результате процессов
дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а
некоторых — уменьшается (FIP-эффект).
Магнитосфера — Википедия ru.wikipedia.org

13.

Хотя солнечный ветер
исходит из внешнего слоя
Солнца, он не отражает
реального состава
элементов в этом слое, так
как в результате процессов
дифференциации
содержание некоторых
элементов увеличивается,
а некоторых —
гелиосферный токовый слой
уменьшается (FIP-эффект).
Интенсивность солнечного ветра зависит от изменений солнечной
активности и его источников. Многолетние наблюдения на орбите Земли
(около 150 млн км от Солнца) показали, что солнечный ветер структурирован
и обычно делится на спокойный и возмущенный (спорадический и
рекуррентный). Спокойные потоки, в зависимости от скорости, делятся на два
класса: медленные (примерно 300—500 км/с около орбиты Земли) и быстрые
(500—800 км/с около орбиты Земли). Иногда к стационарному ветру относят
область гелиосферного токового слоя, который разделяет области
различной полярности межпланетного магнитного поля, и по своим
характеристикам близок к медленному ветру.

14.

Не следует путать понятия «солнечный
ветер» (поток ионизированных частиц,
долетающий от Солнца до Земли за 2—3 суток) и
«солнечный свет» (поток фотонов, долетающий
от Солнца до Земли за 8 минут 16 секунд).
В частности, именно эффект давления
солнечного света, (а не ветра), используется в
проектах так называемых солнечных парусов.
Форма двигателя для космического аппарата,
использующая в качестве источника тяги импульс
ионов солнечного ветра — электрический
парус.

15.

Плазмой окружена и наша планета.
Верхний слой атмосферы на высоте 100-300 км
представляет собой ионизованный газ ионосферу.
Ионизация воздуха в верхнем слое атмосферы
вызывается преимущественно излучением Солнца
и потоком заряженных частиц, испускаемых
Солнцем.
Выше ионосферы простираются радиационные
пояса Земли, открытые с помощью спутников.
Радиационные пояса также состоят из плазмы.

16.

Плазмой окружена и наша планета.
Верхний слой атмосферы на высоте 100-300 км
представляет собой ионизованный газ ионосферу.
Ионизация воздуха в верхнем слое атмосферы
вызывается преимущественно излучением Солнца
и потоком заряженных частиц, испускаемых
Солнцем.
Выше ионосферы простираются радиационные
пояса Земли, открытые с помощью спутников.
Радиационные пояса также состоят из плазмы.

17.

Пояса Ван Аллена
Пояса Ван Аллена являются
своеобразными "карманами" для
заряженных частиц, собираемых
магнитным полем Земли. Они
достаточно чувствительны к
внешнему электрическому
воздействию, - прежде всего со
стороны Солнца. Возрастающая
солнечная активность накачивает
пояса энергией и заряженными
частицами, в результате чего они
увеличиваются в размерах и
теряют стабильность, иногда даже
повреждая спутники на низких
Ссылка www.dailymail.co.uk
орбитах. Тороидальные поля,
окружающие планету, - это и
есть радиационные пояса. В
них по спиральным
траекториям ("намотанным" на
линии магнитного поля Земли)
движутся заряженные частицы.
Источник
: vk.cc/3cVPRd
Источник: vk.cc/3cVFeh.
.

18.

В настоящее время достоверно известно, что существует по
меньшей мере три таких пояса.
Притом любопытно, что третий пояс возникает именно при
наличии большого потока энергии со стороны Солнца например, во время солнечных вспышек или пиков плотности
и скорости солнечного ветра.
Внутренний пояс состоит из положительно заряженных частиц
(прежде всего - протонов), второй и третий пояса - из отрицательно
заряженных (прежде всего - электронов), третий - также из
отрицательно заряженных. Внутренний пояс находится на
расстоянии приблизительно от 1.5 до 15 тыс. км над поверхностью
Земли, внешний - от 20 до 50 тыс. км.
Частицы в поясах движутся вдоль линий магнитного поля
в виде так называемых плазменных двойных слоёв
(англ. plasma double layers), - грубо говоря, отдельных
"конденсаторов" из разноимённо заряженных частиц,
перемещающихся цепочкой один за другим.

19.

Траектория аппарата
Van Allen Probe B
1-28 сентября 2013 г.
Цветом показаны
разные значения
велицины,
пропорциональной
концентрации
электронов с
энергиями 7,2 МэВ.
Основная доля этих
электронов
приходится на
область от 2,8 до 3,5
радиусов Земли.
Можно видеть резкую
границу вблизи
плазмопаузы в
районе 2,8 радиусов
Земли внутри которой
концентрации
скачкообразно
падают.

20.

Из плазмы состоит и межзвездная среда,
заполняющая пространство между звездами и
галактиками.
Плотность межзвездной среды очень мала в среднем менее одного атома на 1 см3.
Ионизация атомов межзвездной среды
вызывается излучением звезд и космическими
лучами - потоками быстрых частиц,
пронизывающими пространство Вселенной по
всем направлениям.
В отличие от горячей плазмы звезд, температура
межзвездной плазмы очень мала.

21.

Межзвездные туманности
Туманность — межзвездное облако, состоящее из
пыли, газа и плазмы, выделяющееся своим
излучением или поглощением по сравнению с
окружающей его межзвездной средой.
Крабовидная туманность является
остатком взрыва сверхновой, которой
произошел в 1024 г н.э. и наблюдался
китайскими и японскими астрономами
Облака пыли и газа в
туманности Карина, из
которых формируются
молодые звезды
http://www.bbc.co.uk/russian/science/2010/05/100521_hubble_at_20

22.

Туманность Замочная скважина
— район большой туманности Киля. На
этом снимке отчетливо видны горячий
светящийся газ, а также темные и
холодные молекулярные облака,
перемешанные с пылью. Слева вверху
также видна хорошо очерченная
плотная газопылевая структура,
сформированная звездным ветром
гигантской звезды, которая не попала на
снимок, но чей голубоватый свет
подсвечивает облака в верхней части
снимка.
Фото: NASA, Hubble Heritage Team.
http://fototelegraf.ru/?p=125579
Галактики Антенны. Антенны — одна из ближайших
пар сталкивающихся галактик. Две спиральные галактики
начали взаимодействовать несколько сот миллионов лет
назад. Их формы исказились под действием сил тяготения,
пыль и газ столкнулись и создали мощнейшие регионы
звездообразования. В результате столкновения в галактиках
родятся миллиарды новых звезд. Два больших желтых пятна
на снимке — ядра галактик, состоящие из старых и холодных
звезд вроде Солнца. Розовые пятна — гигантские
межзвездные облака газа, перемешанные с темной пылью.
Среди них уже повсюду видны ослепительные голубоватобелые крупинки. Это — суперскопления молодых, только
родившихся звезд, состоящие из десятков тысяч голубых
гигантов. Снимок Антенн, полученный на «Хаббле», — самое
четкое изображение пары сталкивающихся галактик на
сегодняшний день. Фото: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team.

23.

ПОВТОРИМ:
Четвёртое состояние вещества было открыто
Уильямом Круксом в 1879 г. и названо «плазмой»
Ирвингом Ленгмюром в 1928 г.
Плазма обладает рядом специфических свойств, что
позволяет рассматривать ее как особое, четвертое
состояние вещества.
Важнейшей особенностью плазмы является ее
квазинейтральность. Плазма квазинейтральна,
если число положительных зарядов в ней в единице
объёма равно числу отрицательных, так что в целом
электрический заряд приблизительно равен нулю.
Свойства плазмы изучает физика плазмы.

24.

СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ!