Plasma kosmologi

Jämförelse av universums utveckling under Alfvén–Klein-kosmologin och Big Bang-teorin .

Plasmakosmologi är en icke-standardiserad kosmologi vars centrala postulat är att dynamiken hos joniserade gaser och plasma spelar viktiga, om inte dominerande, roller i universums fysik på interstellär och intergalaktisk skala. Däremot förklarar de nuvarande observationerna och modellerna av kosmologer och astrofysiker bildandet, utvecklingen och evolutionen av storskaliga strukturer som domineras av gravitation (inklusive dess formulering i Albert Einsteins allmänna relativitetsteori ).

Den ursprungliga formen av teorin, Alfvén–Klein kosmologi , utvecklades av Hannes Alfvén och Oskar Klein , och menar att materia och antimateria existerar i lika stora mängder i mycket stor skala, att universum är evigt snarare än begränsat i tid av Big Bang och att expansionen av det observerbara universum orsakas av förintelse mellan materia och antimateria snarare än mörk energi .

Kosmologer och astrofysiker som har utvärderat plasmakosmologi förkastar det eftersom det inte stämmer överens med observationerna av astrofysiska fenomen såväl som den för närvarande accepterade Big Bang-modellen . Mycket få papper som stöder plasmakosmologi har dykt upp i litteraturen sedan mitten av 1990-talet.

Termen plasmauniversum används ibland som en synonym för plasmakosmologi, som en alternativ beskrivning av plasman i universum. Plasmakosmologi ska inte förväxlas med det elektriska universums pseudovetenskapliga idéer, som till exempel säger att elektriska strömmar flyter in i stjärnor och driver dem som glödlampor.

Alfvén–Klein kosmologi

Hannes Alfvén föreslog att skalningslaboratorieresultat kan extrapoleras upp till universums skala. Ett skalningshopp med en faktor 10 9 krävdes för att extrapolera till magnetosfären , ett andra hopp för att extrapolera till galaktiska förhållanden och ett tredje hopp för att extrapolera till Hubble-avståndet .

På 1960-talet introducerades teorin bakom plasmakosmologi av Alfvén, en plasmaexpert som vann Nobelpriset i fysik 1970 för sitt arbete med magnetohydrodynamik . Han föreslog användningen av plasmaskalning för att extrapolera resultaten av laboratorieexperiment och plasmafysikobservationer och skala dem över många storleksordningar upp till de största observerbara objekten i universum (se ruta). År 1971 Oskar Klein , en svensk teoretisk fysiker, de tidigare förslagen och utvecklade Alfvén–Klein-modellen av universum, eller "metagalaxi", en tidigare term som användes för att referera till den empiriskt tillgängliga delen av universum, snarare än hela universum. universum inklusive delar bortom vår partikelhorisont .

I denna modell består universum av lika mängder materia och antimateria med gränserna mellan områdena av materia och antimateria som avgränsas av kosmiska elektromagnetiska fält som bildas av dubbla lager , tunna områden som består av två parallella lager med motsatt elektrisk laddning. Interaktion mellan dessa gränsområden skulle generera strålning, och detta skulle bilda plasma. Alfvén introducerade termen ambiplasma för ett plasma som består av materia och antimateria och de dubbla skikten är alltså bildade av ambiplasma. Enligt Alfvén skulle en sådan ambiplasma vara relativt långlivad eftersom komponentpartiklarna och antipartiklarna skulle vara för varma och för låg densitet för att förinta varandra snabbt. De dubbla lagren kommer att verka för att stöta bort moln av motsatt typ, men kombinerar moln av samma typ och skapar allt större områden av materia och antimateria. Idén om ambiplasma utvecklades vidare till formerna av tung ambiplasma (protoner-antiprotoner) och lätta ambiplasma (elektroner-positroner).

Alfvén–Klein-kosmologin föreslogs delvis för att förklara den observerade baryonasymmetrin i universum, utgående från ett initialt tillstånd av exakt symmetri mellan materia och antimateria. Enligt Alfvén och Klein skulle ambiplasma naturligt bilda fickor av materia och fickor av antimateria som skulle expandera utåt då förintelse mellan materia och antimateria skedde i det dubbla lagret vid gränserna. De drog slutsatsen att vi bara råkade bo i en av fickorna som mest var baryoner snarare än antibaryoner, vilket förklarar baryonasymmetrin. Fickorna, eller bubblorna, av materia eller antimateria skulle expandera på grund av förintelser vid gränserna, vilket Alfvén ansåg som en möjlig förklaring till den observerade expansionen av universum, som bara skulle vara en lokal fas av en mycket större historia. Alfvén postulerade att universum alltid har funnits på grund av kausalitetsargument och förkastandet av ex nihilo- modeller, såsom Big Bang , som en smygform av kreationism . Det exploderande dubbellagret föreslogs också av Alfvén som en möjlig mekanism för generering av kosmiska strålar , röntgenskurar och gammastrålar .

1993 kritiserade den teoretiske kosmologen Jim Peebles kosmologin Alfvén–Klein och skrev att "det finns inget sätt att resultaten kan överensstämma med isotropin av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen och röntgenbakgrunderna" . I sin bok visade han också att Alfvéns modeller inte förutsäger Hubbles lag , överflöd av ljuselement eller existensen av den kosmiska mikrovågsbakgrunden . En ytterligare svårighet med ambiplasmamodellen är att materia-antimateriaförintelse resulterar i produktion av högenergifotoner, som inte observeras i de förutsägda mängderna. Även om det är möjligt att den lokala "materiadominerade" cellen helt enkelt är större än det observerbara universum , lämpar sig detta förslag inte för observationstester.

Plasmakosmologi och studiet av galaxer

Hannes Alfvén från 1960- till 1980-talet hävdade att plasma spelade en viktig om inte dominerande roll i universum eftersom elektromagnetiska krafter är mycket viktigare än gravitationen när de verkar på interplanetära och interstellära laddade partiklar . Han antog vidare att de kan främja sammandragningen av interstellära moln och till och med kan utgöra huvudmekanismen för sammandragning, vilket initierar stjärnbildning . Den nuvarande standarduppfattningen är att magnetfält kan hindra kollaps, att storskaliga Birkelandsströmmar inte har observerats och att längdskalan för laddningsneutralitet förutspås vara mycket mindre än de relevanta kosmologiska skalorna.

På 1980- och 1990-talen skisserade Alfvén och Anthony Peratt , en plasmafysiker vid Los Alamos National Laboratory , ett program som de kallade "plasmauniversum". I förslag till plasmauniversum associerades olika plasmafysikfenomen med astrofysiska observationer och användes för att förklara samtida mysterier och problem i astrofysiken under 1980- och 1990-talen. På olika platser profilerade Peratt vad han karakteriserade som en alternativ synvinkel till de vanliga modellerna som tillämpas inom astrofysik och kosmologi.

Till exempel föreslog Peratt att det vanliga tillvägagångssättet för galaktisk dynamik som förlitade sig på gravitationsmodellering av stjärnor och gas i galaxer med tillägg av mörk materia bortsåg från ett möjligen stort bidrag från plasmafysiken. Han nämner laboratorieexperiment av Winston H. Bostick på 1950-talet som skapade plasmaurladdningar som såg ut som galaxer. Perrat genomförde datorsimuleringar av kolliderande plasmamoln som han rapporterade också efterliknade formen av galaxer. Peratt föreslog att galaxer bildades på grund av att plasmatrådar förenade sig i en z-nypa , glödtrådarna började med 300 000 ljusår från varandra och bär Birkelandströmmar på 10 18 ampere. Peratt rapporterade också simuleringar han gjorde som visar framväxande jetstrålar av material från den centrala buffertregionen som han jämförde med kvasarer och aktiva galaktiska kärnor som förekommer utan supermassiva svarta hål . Peratt föreslog en sekvens för galaxevolution : "övergången av dubbla radiogalaxer till radiokvasarer till radiotysta QSO:er till märkliga och Seyfert-galaxer , som slutligen slutar i spiralgalaxer ". Han rapporterade också att platta galaxrotationskurvor simulerades utan mörk materia . [ tveksamt – diskutera ] Samtidigt föreslog Eric Lerner , en oberoende plasmaforskare och anhängare av Peratts idéer, en plasmamodell för kvasarer baserad på ett tätt plasmafokus .

Jämförelse med vanlig astrofysik

Standard astronomisk modellering och teorier försöker införliva all känd fysik i beskrivningar och förklaringar av observerade fenomen, med gravitation som spelar en dominerande roll på de största skalorna såväl som i himmelsk mekanik och dynamik . För detta ändamål används i allmänhet både Keplerian -banor och Albert Einsteins allmänna relativitetsteori som de underliggande ramverken för modellering av astrofysiska system och strukturbildning , medan högenergiastronomi och partikelfysik i kosmologi dessutom tilltalar elektromagnetiska processer inklusive plasmafysik och strålningsöverföring för att förklara relativt småskaliga energiprocesser som observeras i röntgen- och gammastrålning . På grund av övergripande laddningsneutralitet , tillhandahåller plasmafysik inte mycket långväga interaktioner i astrofysik även om mycket av materien i universum är plasma . (Se astrofysiskt plasma för mer.)

Förespråkare av plasmakosmologi hävdar att elektrodynamik är lika viktig som gravitationen för att förklara universums struktur, och spekulerar i att det ger en alternativ förklaring till galaxernas utveckling och den initiala kollapsen av interstellära moln. Speciellt plasmakosmologi påstås ge en alternativ förklaring till spiralgalaxernas platta rotationskurvor och för att eliminera behovet av mörk materia i galaxer och med behovet av supermassiva svarta hål i galaxcentra för att driva kvasarer och aktiva galaktiska kärnor . Teoretisk analys visar dock att "många scenarier för generering av magnetiska fröfält, som förlitar sig på strömmars överlevnad och hållbarhet vid tidiga tidpunkter [av universum är ogynnsamma]", dvs Birkelandsströmmar av den storlek som behövs (10 18 ampere över skalor av megaparsecs) för galaxbildning existerar inte. Dessutom har många av de problem som var mystiska på 1980- och 1990-talen, inklusive diskrepanser relaterade till den kosmiska mikrovågsbakgrunden och kvasarernas natur, lösts med fler bevis som i detalj ger en avstånds- och tidsskala för universum.

Några av de platser där plasmakosmologianhängare är mest motstridiga med standardförklaringar inkluderar behovet av att deras modeller ska ha lätta elementproduktion utan Big Bang-nukleosyntes, vilket, i samband med Alfvén–Klein-kosmologin, har visat sig producera överdriven X- strålar och gammastrålar utöver vad som observerats. Förespråkare för plasmakosmologi har lagt fram ytterligare förslag för att förklara överflöd av ljuselement, men de åtföljande frågorna har inte åtgärdats helt. 1995 publicerade Eric Lerner sin alternativa förklaring till den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen ( CMBR). Han hävdade att hans modell förklarade troheten hos CMB-spektrumet till den för en svart kropp och den låga nivån av anisotropier som hittats, även om nivån av isotropi vid 1:10 5 inte redovisas med den precisionen av några alternativa modeller. Dessutom förbättrades känsligheten och upplösningen av mätningen av CMB-anisotropierna avsevärt av WMAP och Planck-satelliten och statistiken för signalen var så i linje med förutsägelserna från Big Bang-modellen att CMB har utropats som en stor bekräftelse av Big Bang-modellen till nackdel för alternativen. De akustiska topparna i det tidiga universum passar med hög noggrannhet av förutsägelserna från Big Bang-modellen, och hittills har det aldrig gjorts ett försök att förklara det detaljerade spektrumet av anisotropierna inom ramen för plasmakosmologi eller något annat alternativ kosmologisk modell.

Referenser och anteckningar

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Plasma_cosmology&oldid=1137092152 "