Plasmakosmologie - Plasma cosmology

Hannes Alfvén schlug vor, dass die Skalierung von Laborergebnissen auf die Skala des Universums hochgerechnet werden kann. Zur Extrapolation auf die Magnetosphäre war ein Skalierungssprung um den Faktor 10 9 erforderlich , ein zweiter Sprung zur Extrapolation auf galaktische Bedingungen und ein dritter Sprung zur Extrapolation auf die Hubble-Distanz .

Die Plasmakosmologie ist eine nicht standardmäßige Kosmologie, deren zentrales Postulat darin besteht, dass die Dynamik ionisierter Gase und Plasmen eine wichtige, wenn nicht sogar eine dominante Rolle in der Physik des Universums jenseits des Sonnensystems spielt . Im Gegensatz dazu werden die aktuellen Beobachtungen und Modelle von Kosmologen und Astrophysiker erklären die Bildung, Entwicklung und Evolution von Himmelskörpern und großräumige Strukturen im Universum , wie beeinflusst die Schwerkraft (einschließlich der Formulierung in Albert Einstein ‚s allgemeine Relativitätstheorie ) und baryonische Physik .

Einige theoretische Konzepte über Plasma - Kosmologie entstanden mit Hannes Alfvén , der vorläufig die Verwendung der vorgeschlagenen Plasma Skalierung der Ergebnisse von Laborexperimenten und zur Extrapolation der Plasmaphysik Beobachtungen und skaliert sie über viele Größenordnungen bis zu den größten beobachtbaren Objekte im Universum (siehe Kasten ).

Kosmologen und Astrophysiker, die die Plasmakosmologie evaluiert haben, lehnen sie ab, weil sie nicht mit den Beobachtungen astrophysikalischer Phänomene sowie der aktuellen kosmologischen Theorie übereinstimmt. Seit Mitte der 1990er Jahre sind in der Literatur nur sehr wenige Arbeiten zur Unterstützung der Plasmakosmologie erschienen.

Der Begriff Plasmauniversum wird manchmal als Synonym für Plasmakosmologie verwendet, als alternative Beschreibung des Plasmas im Universum.

Alfvén-Klein-Kosmologie

In den 1960er Jahren wurde die Theorie der Plasmakosmologie von Alfvén eingeführt, einem Plasmaexperten, der 1970 den Nobelpreis für Physik für seine Arbeiten zur Magnetohydrodynamik erhielt . 1971 erweiterte Oskar Klein , ein schwedischer theoretischer Physiker, die früheren Vorschläge und entwickelte das Alfvén-Klein-Modell des Universums oder "Megalaxie", ein früherer Begriff, der sich auf den empirisch zugänglichen Teil des Universums und nicht auf das gesamte Universum bezieht Universum einschließlich der Teile jenseits unseres Teilchenhorizonts . In dieser Alfvén-Klein-Kosmologie , manchmal auch Klein-Alfvén-Kosmologie genannt , besteht das Universum aus gleichen Mengen an Materie und Antimaterie, wobei die Grenzen zwischen den Bereichen von Materie und Antimaterie durch kosmische elektromagnetische Felder abgegrenzt werden, die durch Doppelschichten gebildet werden , wobei dünne Bereiche umfassen zwei parallele Schichten mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Eine Wechselwirkung zwischen diesen Grenzbereichen würde Strahlung erzeugen, und diese würde das Plasma bilden. Alfvén führte den Begriff Ambiplasma für ein Plasma aus Materie und Antimaterie ein und die Doppelschichten werden somit aus Ambiplasma gebildet. Laut Alfvén wäre ein solches Ambiplasma relativ langlebig, da die einzelnen Teilchen und Antiteilchen zu heiß und zu niedrig wären, um sich gegenseitig schnell zu vernichten. Die Doppelschichten werden Wolken des entgegengesetzten Typs abstoßen, aber Wolken des gleichen Typs kombinieren, wodurch immer größere Bereiche von Materie und Antimaterie entstehen. Die Idee des Ambiplasmas wurde zu den Formen des schweren Ambiplasmas (Protonen-Antiprotonen) und des leichten Ambiplasmas (Elektronen-Positronen) weiterentwickelt.

Die Alfvén-Klein-Kosmologie wurde teilweise vorgeschlagen, um die beobachtete Baryonenasymmetrie im Universum zu erklären , ausgehend von einem Anfangszustand der exakten Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie. Laut Alfvén und Klein würde Ambiplasma natürlicherweise Materie- und Antimaterietaschen bilden, die sich nach außen ausdehnen würden, wenn in der Doppelschicht an den Grenzen eine Vernichtung zwischen Materie und Antimaterie stattfand. Sie kamen zu dem Schluss, dass wir zufällig in einer der Taschen leben müssen, die hauptsächlich aus Baryonen und nicht aus Antibaryonen bestand, und erklärten die Baryonenasymmetrie. Die Taschen oder Blasen von Materie oder Antimaterie würden sich aufgrund von Vernichtungen an den Grenzen ausdehnen, was Alfvén als eine mögliche Erklärung für die beobachtete Expansion des Universums ansah , die lediglich eine lokale Phase einer viel größeren Geschichte wäre. Alfvén postulierte, dass das Universum aufgrund von Kausalitätsargumenten und der Ablehnung von Ex-Nihilo- Modellen wie dem Urknall als heimliche Form des Kreationismus immer existiert hat . Die explodierende Doppelschicht wurde auch von Alfvén als möglicher Mechanismus für die Erzeugung von kosmischer Strahlung , Röntgenstrahlen und Gammastrahlenblitzen vorgeschlagen .

1993 kritisierte der theoretische Kosmologe Jim Peebles die Alfvén-Klein-Kosmologie und schrieb, dass "die Ergebnisse auf keinen Fall mit der Isotropie der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und des Röntgenhintergrunds übereinstimmen können ". In seinem Buch zeigte er auch, dass Alfvéns Modelle nicht das Hubble-Gesetz , die Fülle an Lichtelementen oder die Existenz des kosmischen Mikrowellenhintergrunds vorhersagen . Eine weitere Schwierigkeit mit dem Ambiplasma-Modell besteht darin, dass die Materie-Antimaterie- Annihilation zur Produktion von hochenergetischen Photonen führt , die nicht in den vorhergesagten Mengen beobachtet werden. Obwohl es möglich ist, dass die lokale "Materie-dominierte" Zelle einfach größer ist als das beobachtbare Universum , eignet sich dieser Vorschlag nicht für Beobachtungstests.

Plasmakosmologie und das Studium von Galaxien

Hannes Alfvén argumentierte in den 1960er bis 1980er Jahren, dass Plasma eine wichtige, wenn nicht sogar dominante Rolle im Universum spielte, da elektromagnetische Kräfte bei der Einwirkung auf interplanetare und interstellar geladene Teilchen weitaus wichtiger sind als die Schwerkraft . Er stellte ferner die Hypothese auf, dass sie die Kontraktion interstellarer Wolken fördern und sogar den Hauptmechanismus für die Kontraktion darstellen könnten, um die Sternentstehung einzuleiten . Die derzeitige Standardansicht ist, dass Magnetfelder den Kollaps verhindern können, dass großräumige Birkeland-Ströme nicht beobachtet wurden und dass die Längenskala für die Ladungsneutralität weitaus kleiner als die relevanten kosmologischen Skalen vorhergesagt wird.

In den 1980er und 1990er Jahren skizzierten Alfvén und Anthony Peratt , ein Plasmaphysiker am Los Alamos National Laboratory , ein Programm, das sie " Plasmauniversum " nannten. In den Vorschlägen zum Plasmauniversum wurden verschiedene Phänomene der Plasmaphysik mit astrophysikalischen Beobachtungen in Verbindung gebracht und zur Erklärung zeitgenössischer Geheimnisse und Probleme der Astrophysik in den 1980er und 1990er Jahren verwendet. An verschiedenen Orten profilierte Peratt, was er als alternative Sichtweise zu den Mainstream-Modellen der Astrophysik und Kosmologie bezeichnete.

Peratt schlug zum Beispiel vor, dass der Mainstream-Ansatz zur galaktischen Dynamik, der auf der Gravitationsmodellierung von Sternen und Gas in Galaxien unter Hinzufügung dunkler Materie beruhte, einen möglicherweise wichtigen Beitrag der Plasmaphysik übersah. Er erwähnt Laborexperimente von Winston H. Bostick in den 1950er Jahren, die Plasmaentladungen erzeugten, die wie Galaxien aussahen. Perrat führte Computersimulationen von kollidierenden Plasmawolken durch, von denen er berichtete, dass sie auch die Form von Galaxien nachahmten. Peratt schlug vor, dass sich Galaxien aufgrund von Plasmafilamenten bildeten, die sich in einem Z-Pinch verbinden , wobei die Filamente 300.000 Lichtjahre voneinander entfernt beginnen und Birkeland-Ströme von 10 18 Ampere tragen. Peratt berichtete auch von Simulationen , die er auftauchte , die Materialstrahlen aus der zentralen Pufferregion zeigten , die er mit Quasaren und aktiven galaktischen Kernen verglich , die ohne supermassereiche Schwarze Löcher vorkommen . Peratt vorgeschlagen , eine Sequenz , die für die Entwicklung von Galaxien : „Der Übergang von Doppelradiogalaxien zu radioquasars QSOs radioquiet zu eigen und Seyfertgalaxien schließlich in endend Spiralgalaxien “. Er berichtete auch, dass flache Galaxienrotationskurven ohne dunkle Materie simuliert wurden . Zur gleichen Zeit schlug Eric Lerner , ein unabhängiger Plasmaforscher und Unterstützer von Peratts Ideen, ein Plasmamodell für Quasare vor, das auf einem dichten Plasmafokus basiert .

Vergleich mit Mainstream-Astrophysik

Standardmäßige astronomische Modellierungen und Theorien versuchen, alle bekannte Physik in Beschreibungen und Erklärungen beobachteter Phänomene einzubeziehen, wobei die Schwerkraft auf den größten Skalen sowie in der Himmelsmechanik und -dynamik eine dominierende Rolle spielt . Zu diesem Zweck wurde beiden Keplerian Orbits und Albert Einstein ‚s allgemeine Relativitätstheorie werden im Allgemeinen als der darunter liegende Rahmen verwenden für die Modellierung astrophysikalische Systeme und Strukturbildung , während Hochenergie - Astronomie und Physik in Kosmologie zusätzlich anspricht elektromagnetische Prozesse , einschließlich der Plasmaphysik und Strahlungsübertragung zur Erklärung relativ kleiner energetischer Prozesse, die in Röntgen- und Gammastrahlen beobachtet werden . Aufgrund Gesamtladungsneutralität , Plasmaphysik sieht nicht sehr weitreichende Wechselwirkungen in der Astrophysik auch während eines großen Teil der Materie im Universum ist Plasma . (Siehe astrophysikalisches Plasma für mehr.)

Befürworter der Plasmakosmologie behaupten, dass die Elektrodynamik für die Erklärung der Struktur des Universums genauso wichtig ist wie die Schwerkraft und spekulieren, dass sie eine alternative Erklärung für die Entwicklung von Galaxien und den anfänglichen Kollaps interstellarer Wolken liefert . Insbesondere die Plasmakosmologie soll eine alternative Erklärung für die flachen Rotationskurven von Spiralgalaxien liefern und den Bedarf an Dunkler Materie in Galaxien und den Bedarf an supermassereichen Schwarzen Löchern in Galaxienzentren für die Energieversorgung von Quasaren und aktiven galaktischen Kernen beseitigen . Die theoretische Analyse zeigt jedoch, dass "viele Szenarien für die Erzeugung von Saat-Magnetfeldern, die auf das Überleben und die Nachhaltigkeit von Strömen in frühen Zeiten [des Universums] angewiesen sind, benachteiligt sind", dh Birkeland-Ströme der erforderlichen Größenordnung (10 18 Ampere über Megaparsec-Skalen) für die Galaxienbildung existieren nicht. Darüber hinaus wurden viele der Probleme, die in den 1980er und 1990er Jahren mysteriös waren, einschließlich Diskrepanzen in Bezug auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund und die Natur von Quasaren , mit mehr Beweisen gelöst, die im Detail eine Entfernungs- und Zeitskala für das Universum liefern.

Einige der Orte, an denen die Befürworter der Plasmakosmologie am meisten mit Standarderklärungen im Widerspruch stehen, sind die Notwendigkeit, dass ihre Modelle eine leichte Elementproduktion ohne Urknall-Nukleosynthese haben , die im Kontext der Alfvén-Klein-Kosmologie nachweislich übermäßige X- Strahlen und Gammastrahlen darüber hinaus. Befürworter der Plasmakosmologie haben weitere Vorschläge gemacht, um die Häufigkeit von leichten Elementen zu erklären, aber die damit verbundenen Probleme wurden nicht vollständig angegangen. 1995 veröffentlichte Eric Lerner seine alternative Erklärung für die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMBR). Er argumentierte, dass sein Modell die Genauigkeit des CMB-Spektrums mit dem eines schwarzen Strahlers und das geringe Niveau der gefundenen Anisotropien erklärt, obwohl das Niveau der Isotropie bei 1:10 5 von keinem alternativen Modell mit dieser Genauigkeit berücksichtigt wird. Darüber hinaus wurde die Empfindlichkeit und Auflösung der Messung der CMB-Anisotropien durch WMAP und den Planck-Satelliten stark verbessert und die Statistik des Signals stimmte so weit mit den Vorhersagen des Urknallmodells überein, dass die CMB als eine der wichtigsten Bestätigung des Urknallmodells zu Lasten der Alternativen. Die akustischen Peaks im frühen Universum werden durch die Vorhersagen des Urknallmodells mit hoher Genauigkeit angepasst, und bis heute wurde nie versucht, das detaillierte Spektrum der Anisotropien im Rahmen der Plasmakosmologie oder einer anderen Alternative zu erklären kosmologisches Modell.

Referenzen und Hinweise

Weiterlesen

Externe Links