基本介紹
- 中文名：電漿天體物理學
- 外文名：Plasma Astrophysics
起源,簡介,物理狀態,
起源
在1929年美國物理學家朗繆爾提出電漿這個概念之前，天體物理學家已經研究過電漿。1921年米爾恩（Milne）根據薩哈公式建立了恆星大氣理論，1939年丹麥天文學家斯特龍根提出星際介質中存在中性氫區和電離氫區，對星際介質和恆星演化理論起了重要的影響。電漿天體物理學這個名詞是在20世紀60年代末出現的。電漿天體物理學採用實驗室電漿物理學取得的成果，本身也可以得到對電漿物理學有意義的新結果。
實驗室電漿物理學通常只涉及小尺度的問題，而電漿天體物理學涉及的是大尺度的宇宙電漿系統，往往處於光學厚的狀態，與輻射和宇宙線具有很強的相互作用。宇宙電漿大部分情況下可以認為是均勻、無邊界的，在套用理論模型時帶來了很大的便利。此外，宇宙電漿的特徵尺度很大，因此磁雷諾數往往很大，具有明顯的磁凍結效應，即磁力線如同凍結在流體元上，隨流體的運動而一起運動。
簡介
宇宙物質絕大部分處於等離子態。例如﹐地球的電離層和地球磁層﹑行星際空間的太陽風﹑太陽的大氣﹑某些磁變星﹑星際物質以及星系際物質等。近年來﹐人們認識到天體電漿遠非處於熱動平衡狀態。宇宙間存在各種不穩定過程(例如﹐太陽耀斑和各種類型的太陽射電爆發﹐即使太陽在“寧靜”期間﹐也存在巨大的不穩定性)﹐因而在電漿中經常不斷地激起各種波動﹐形成複雜的湍動狀態。行星際空間的太陽風在地球附近形成的地球弓形激波﹑磁層亞暴等﹐都說明天體電漿往往處於湍動狀態。又如超新星﹑類星體﹑星系核﹑星系核風以及脈衝星周圍的電漿﹐也都同熱動平衡的狀態相差很遠。
物理狀態
電漿天體物理學著重研究天體電漿中各種不穩定的物理過程。在天體電漿中﹐兩體碰撞不是粒子間相互作用的主要形式﹐更重要的是帶電粒子(電子和離子)間的集體相互作用﹐它能激發各種振湯和波動。各種形式的電漿波﹐可以看作是準粒子﹐稱為電漿激元。由於存在不穩定性﹐電漿處於湍動狀態。在湍動狀態下﹐電漿中各種形式的波動之間﹐往往發生強烈的非線性相互作用﹐並引起能量在頻譜中的再分布。這種作用通常叫作波-波作用。此外﹐波和帶電粒子之間可以產生更有效的相互作用﹐因而使粒子加速(見電漿湍動加速)﹐使輻射譜的特徵改變。這種作用通常叫作波-粒子作用。因此有人提出﹐天體電漿主要應由彼此相互作用著的三種成分組成﹐即電子﹑離子和電漿激元(對某些天體﹐還應加上一種成分﹐即中性粒子)。現代電漿天體物理學的任務﹐正是要探索和研究在各種可能的天體物理條件下﹐上述三種基本成分之間相互作用的物理規律。
天體電漿經常處於很複雜的物理狀態。這表現為通常存在不均勻結構﹕電導率遠小於按經典的兩體碰撞理論所計算的值﹐甚至會突然變為零﹐致使磁流體力學中的“磁凍結”圖像失效﹔由於不穩定性而導致電漿位形不確定﹐等等。電漿天體物理學要研究兩個問題﹕一是各種天體的電漿湍動狀態形成的可能性﹔二是假定天體電漿處在湍動狀態﹐從天文觀測中將會得出些什麼推論。對第一個問題﹐還不能作出普遍的回答﹐但是對地球磁層和太陽電漿的研究表明﹐至少在地球附近的電漿中的不穩定性是很容易產生的﹐電漿狀態對熱動平衡有微小的﹑有時甚至是可能被忽略的偏離﹐也會導致向湍動狀態轉化。
產生不穩定性所需要的對熱動平衡偏離的最小值﹐稱為不穩定性閾值。對諸如星際物質﹑太陽風﹑日冕﹑類星體外部區域和脈衝星輻射區域的研究表明﹐在這些天體上﹐都可能達到不穩定性閾值﹐並形成電漿湍動狀態。至於第二個問題﹐天體電漿處於湍動狀態﹐必然會大大地改變對天體物理觀測所作的傳統解釋。例如。處於湍動狀態中的天體電漿中的快粒子將導致譜線致寬﹐改變天體電漿的電離度﹐加熱電漿﹔湍動狀態的電漿又可將其湍動能轉化為電磁輻射能。
