نظریه “مدل استاندارد” بهترین تئوری موجود برای توضیح ساز و کار جهان پیرامون ما در ابعاد فوق العاده ریز است.

اما از مدتی پیش معلوم بوده که مدل استاندارد فقط منزلگاهی در راه رسیدن به درک کاملتری از کیهان است. سرنخ هایی از رفتار غیرمنتظره یک ذره زیراتمی به نام کوراک بی (همچنین موسوم به کوارک زیبایی) می تواند ترک هایی را در شالوده این نظریه که چند دهه از عمر آن می گذرد آشکار کند.

این یافته ها محصول داده هایی است که محققان در “برخورددهنده بزرگ هادرون” (ال اچ سی) جمع آوری کرده اند. این یک دستگاه عظیم در یک تونل مدور زیرزمینی به طول ۲۷ کیلومتر در مرز فرانسه و سوئیس است. این دستگاه اشعه هایی از ذرات فوتون را برای مطالعه حد و مرزهای فیزیک به هم می کوبد.رفتار اسرارآمیز کوارک بی ممکن است محصول یک ذره زیراتمی هنوز کشف نشده باشد.

اما فیزیکدان ها تاکید می کنند که تایید این نتایج نیازمند تحلیل ها و داده های بیشتر است.

دکتر مایتِش پَتِل، از کالج امپریال لندن، به بی بی سی گفت: “وقتی برای اولین بار نتایج را دیدیم از هیجان می لرزیدیم. قلبمان تندتر می زد.”

“هنوز زود است که بخواهیم بگوییم این نتایج واقعا انحرافی از مدل استاندارد است، اما تبعات بالقوه آن چنان است که من طی ۲۰ سال کار در این رشته چیزی به هیجان انگیزی آن ندیده ام. برای رسیدن به این نقطه راه درازی را رفته ایم.”

ذراتی حتی ریزتر از اتم وجود دارد که مصالح ساختمانی جهان به حساب می آیند. بعضی از این ذرات زیراتمی (sub-atomic) از اجزای حتی کوچکتری تشکیل شده اند، اما سایر ذرات را نمی توان به چیز دیگری تقسیم کرد. این ذرات غیرقابل تقسیم به اصطلاح ذرات بنیادی نام دارند.

مدل استاندارد کلیه ذرات بنیادی تشکیل دهنده جهان و نیروهایی که با آنها کنش دارند را توضیح می دهد.

اما این نظریه توضیحی برای بعضی از بزرگترین اسرار فیزیک مدرن ندارد، مانند ماده تاریک یا ماهیت گرانش. فیزیکدان ها می دانند که این مدل را باید در نهایت با مدل کاملتری جایگزین کنند.

برخورددهنده بزرگ هادرون برای شناسایی ابعادی فراتر از مدل استاندارد ساخته شد. بنابراین اگر این نتایج تایید شود کشف مهمی خواهد بود.

کوبنده بزرگ هادرون ذرات “کوارک بی” که معمولا در طبیعت یافت نمی شوند را تولید می کند. ذرات زیراتمی در فرآیندی موسوم به واپاشی تبدیل به چندین ذره دیگر با جرم کمتر می شوند.

براساس مدل استاندارد، کوارک های بی باید به شمار مساوی الکترون و میوئان (یا میون) تبدیل شوند. در عوض این فرآیند بیشتر الکترون تولید می کند تا میوئان.

یک توضیح احتمالی این است که یک ذره تاکنون کشف نشده به نام لِپتوکوارک در فرآیند واپاشی نقش دارد و تولید الکترون ها را راحت می کند.

دکتر پائولا آلوارز کارتله از دانشگاه کمبریج یکی از دانشمندان ممتاز در این مطالعه بود. خانم کارتله گفت: “این نتیجه گوشه ای از وجود یک ذره یا نیروی تازه بنیادی که به شکلی متفاوت با این ذرات تعامل دارد را نشانمان می دهد.”

“هر چه داده های بیشتری به دست آورده ایم، این نتیجه قوی تر شده است. این مهم ترین نتیجه از یک رشته نتایج آزمایش با ال اچ سی به روی ذرات کوارک بی در یک دهه گذشته است که همگی با هم جور در می آیند و ممکن است به توضیح مشترکی منجر شوند.”

“نتایج تغییری نکرده، بلکه از عدم قطعیت آنها کاسته شده است، که توانایی ما برای تشخیص تفاوت های احتمالی با مدل استاندارد را افزایش داده است.”

پروفسور کریس پارکس از دانشگاه منچستر سرپرست تیم محققان گفت هنوز نباید از این نتایج بیش از حد هیجان زده شد.

“ممکن است در مسیر رسیدن به عصر تازه ای از علم فیزیک قرار داشته باشیم، اما اگر چنین است هنوز نسبتا در اوایل راه هستیم. ما قبلا هم شاهد ظهور و افول نتایجی شبیه این در گذشته بوده ایم، برای همین باید محتاط باشیم.”

دکتر کنستانتینوس پتریدیس از دانشگاه بریستول اما می گوید اگر این نتایج با آزمایش های بعدی – که قرار است اوایل سال آینده از سر گرفته شود – تایید شود می تواند یکی از بزرگترین کشفیات علم فیزیک در دوران اخیر باشد.

“کشف یک نیروی تازه در طبیعت منزل و مقصود فیزیک ذرات است. درک کنونی ما از اجزای تشکیل دهنده جهان خیلی ناقص است – نمی دانیم که ۹۵ درصد کیهان از چه چیزی تشکیل شده یا چرا چنین عدم توازن بزرگی میان ماده و ضدماده وجود دارد.”

نتایج در نشریه “فیزیک نیچر” چاپ شده است.

متن فارسی برگرفته از کانال فیزیک، پلاسما، لیزر

در مدل جدید که با نام اسمش (SMASH) شناخته شده، پیشنهاد شده است که ما برای حل و پایان دادن به همه‌ی این شکاف‌ها در مدل استاندارد فیزیک تنها نیاز به شش ذره‌ی جدید داریم و گروهی که پشت این پژوهش هستند بر این باورند که آزمایش و سنجش چنین روندی چندان هم دشوار نخواهد بود و در واقع کاری شدنی است.

مدل اخیر توسط یک تیم علمی متشکل از فیزیک‌دانان فرانسوی و آلمانی توسعه داده شده است. آنها باور دارند که ما به هیچ نوع دستکاری یا اصلاح عمده‌ای روی مدل استاندارد نیاز نداریم و تنها با افزودن چند مورد جدید به مدل فعلی می‌توانیم به هدف خود برسیم.

مسلما این پژوهش هنوز در روزهای اولیه‌ی خود قرار دارد و برای هر گونه اظهار نظری زود است. اما مورد واضح این است که گزاره‌ی ارائه شده از سوی این گروه بسیار جالب و کنجکاوکننده است. مدل اخیر از آن جهت بسیار جالب است که مدل‌های دیگری که تا به امروز برای توضیح رمز و رازهای دنیای مکانیک کوانتومی طراحی شده‌اند (از جمله مدل ابرتقارن)، اغلب نیاز به لحاظ کردن صدها تعداد از ذرات جدیدی داشته‌اند که ما هرگز حتی اثری از آنها را نیز مشاهده نکرده‌ایم.

از سوی دیگر باید توجه داشت که مدل اسمش به تنها شش ذره نیاز دارد. این ذره‌ها شامل سه نوترینو، یک فرمیون و یک میدان شامل دو ذره هستند. گفتنی است که در فیزیک، میدان به یک نهاد فیزیکی یا ریاضی اطلاق می‌شود که دارای مقداری برای هر نقطه در فضا و زمان باشد. ذره را نیز به عنوان یک حالت برانگیخته از میدان تعریف می‌کنند. برای اینکه بتوانیم به شما یک ایده‌ی کلی از ماهیت این پنج مسئله‌ی اساسی در فیزیک بدهیم، به سراغ هر یک از آنها رفته و به بررسی کلی آن می‌پردازیم. از ماده‌ی تاریک شروع می‌کنیم:

۱. ماده‌ی تاریک:

در حال حاضر شواهد قریب به اتفاقی وجود دارد که بر پایه‌ی آنها حدود ۲۶ تا ۲۷ درصد از جهان هستی از نوعی ناشناس از ماده ساخته شده است. در حالی که ما امروزه می‌توانیم نیروی گرانشی ناشی از آن را شناسایی کنیم، اما به نظر می‌رسد که این ماده‌ی ناشناخته هیچ نوع نور یا تابش دیگری از خود منتشر نمی‌کند تا ما از طریق آن بتوانیم رویتش کنیم. با وجود سالها جستجو، ما هنوز هیچ ایده‌ای درباره‌ی اینکه ماده‌ی تاریک واقعا از چه چیزی تشکیل شده در اختیار نداریم. ولی قطعا می‌دانیم که وجود این ماده برای پایداری کیهان بسیار حیاتی است.

۲. نوسانات نوترینو

سال گذشته، جایزه‌ی نوبل فیزیک به دو فیزیکدانی رسید که ثابت کرده بودند، نوترینوها می‌توانند بین مزه‌ها (flavor) نوسان داشته باشند. گفتنی است که مزه‌ها به هر یک از شش نوع کوارک شناخته شده در دنیای زیراتمی گفته می‌شود. نوسان نوترینو یک پدیده‌ی مکانیک کوانتومی است که در آن یک نوترینوی ایجاد شده با لپتون فلیور (lepton flavour) خاص (مانند یک الکترون، یک موآن یا یک تاو) می‌تواند در ادامه دارای یک مزه متفاوت باشد. از آنجا که تنها ذرات دارای جرم می‌توانند مزه‌ها را تغییر دهند (یا اینکه دچار نوسان کنند) بنابراین نوترینوها هم باید جرم داشته باشد و این امر برای مدل استاندارد مشکل ایجاد می‌کند، زیرا هیچکس به طور دقیق نمی‌داند که جرم نوترینوها از کجا سرچشمه گرفته است. این جرم ممکن است از ذره‌ی بوزون هیگز ناشی شده باشد. اما این امکان هم کاملا وجود دارد که جرم فوق مربوط به یک ذره‌ی کاملا جدیدی باشد که ما هنوز آن را کشف نکرده‌ایم.

۳. باریون‌زایی

یکی دیگر از مسئله‌های اصلی حل نشده در فیزیک را نیز در این بخش می‌توان به طور خلاصه و به طرز بسیار ساده‌ای این گونه مطرح کرد: چرا جهان قابل مشاهده‌ی ما دارای ماده‌ی بیشتری نسبت به ضد ماده است؟ با توجه به مدل استاندارد اینگونه برداشت می‌شود که انفجار بزرگ مقدار مساوی از ماده و پادماده را در جهان هستی تولید کرده است و از آنجا که هر یک از این دو در تماس با دیگری آن را نابود می‌کند، آنگاه می‌توان چنین استنباط کرد که روند فوق می‌توانسته به یک جهان خالی از ماده منجر شود؛ جهانی که در آن فقط تابش وجود داشته باشد. اکنون برای همه‌ی ما بدیهی است که مقدار بسیار فراوانی ذره ماده در این جهان وجود دارد و در نتیجه می‌توان گفت که باید اشتباهی در سناریوی مطرح شده وجود داشته باشد. چون پرسشی که پیش می‌آید این است که چطور ممکن است در جهان ما مقدار فراوانی از ماده موجود باشد و در عین حال تقریبا هیچ پادماده‌ای وجود نداشته باشد؟

۴. تورم کیهانی

باور متداول این است که در طی کسری از ثانیه پس از وقوع انفجار بزرگ، جهان هستی آغاز به یک دوره‌ی گسترش با شتاب فزاینده کرده که این انبساط را اصطلاحا تورم کیهانی (inflation) می‌نامند. در حالی که بسیاری از فیزیکدانان واقعیت تورم کیهانی را قبول دارند، اما تا کنون هیچکس قادر به کشف مکانیسم دقیق مرتبط با واداشتن جهان هستی به انبساطی با سرعت بالاتر از سرعت نور نشده است.، رفتن از زیر اتمی به اندازه گلف توپ به اندازه تقریبا بلافاصله شده است.

برای توجیه این موضوع نیز یک میدان فرضی پیشنهاد شده و گفته می‌شود که این میدان عامل اصلی تورم کیهانی با چنان سرعتی است. انبساطی که بسیار سریع رخ داده و بلادرنگ آن را از یک اندازه‌ی زیراتمی به اندازه‌ی یک توپ گلف رسانده است! این میدان را با نام اینفلاتون (inflaton) می‌شناسند. اما واقعیت این است ما باید در ابتدا بتوانیم آن را به طور واقعی شناسایی و آشکارسازی کنیم.

۵. مسئله‌ی strong CP

این مسئله به عنوان یک «نقص جدی در مدل استاندارد» شناخته می‌شود. مسئله‌ی CP به ما کمک می‌کند تا بتوانیم دلیل اینکه چرا میزان ماده در جهان بیشتر از پادماده است را توضیح دهیم. اما این مسئله به همراه خود رازهای حل شده‌ی را نیز پیش روی ما می‌گذارد.

واقعیت این است که مسئله‌ی فوق دارای توضیحی بسیار مفصل است. اما اگر بخواهیم به طور خلاصه بیان کنیم، مسئله‌ی CP قوی توضیح می‌دهد که چرا و به چه شکلی در کرومودینامیک کوانتومی، تخطی از CP رخ نمی‌دهد. منظور از تخطی در اینجا در واقع ایجاد یک شکست در تقارن بنیادی جهان هستی است. دلیل این عدم تخطی به برهم‌کنش‌های بین کوارک‌ها و گلوان‌ها مربوط می‌شود. در حال حاضر هیچکس به طور دقیق به علت این ارتباط پی نبرده است. البته تا به امروز چنین بوده و ممکن است در آینده و با مدل جدیدی که به نظر می‌رسد صحیح باشد، بتوانیم برای این پرسش نیز پاسخی پیدا کنیم.

راه حل چیست؟

مدل اسمش بر پایه‌ی ساختاری ایجاد شده است که چندین سال پیش مطرح شده بود. پیشتر در سال ۲۰۰۵، فیزیکدانی به نام میخاییل شاپوشنیکف (Mikhail Shaposhnikov) از انستیتوی فدارل فناوری در لوزان سوییس مدلی را ارایه داد که اکنون آن را با نام مدل استاندارد مینیمال نوترینو (vMSM) می‌شناسیم.

در آن زمان پیشنهاد شد که انبساط مدل استاندارد با سه نوترینو راست‌گرد (right-handed neutrino) با جرم‌های خاص می‌تواند به طور همزمان هم موضوع ماده‌ی تاریک و هم موضوع عدم تقارن باریون جهان هستی را توضیح دهد. این در حالی خواهد بود که مدل فوق با آزمایش‌های انجام شده بر روی نوسانات نوترینو نیز سازگار است.

در حال حاضر، تیمی که توسط فیزیکدان فرانسوی گیلرمو بالستروس (Guillermo Ballesteros) از دانشگاه Paris-Saclay هدایت می‌شود، باور دارند که ما می‌توانیم این سه نوترینوی راستگرد را هم به سه نوترینوی موجود در مدل استاندارد اضافه کنیم. افزودن سه نوترنوی اخیر به علاوه‌ی یک ذره زیر اتمی به نام فرمیون رنگ سه‌گانه (colour triplet fermion) می‌تواند به حل شدن ۴ مسئله‌ی نخستی بیانجامد که در این گزارش به آن پرداخته شده است.

از سویی چنین به نظر می‌رسد که افزودن یک میدان جدید و شناسایی‌نشده نیز بتواند به حل مسئله‌ی پنجم فرست اخیر کمک کند. شانون هال (Shannon Hall) در توضیح برای نیوساینتیست در این باره چنین می‌گوید:

“مدل اسمش یک میدان جدید را برای توضیح برخی از مسئله‌های دنیای فیزیک به طور متفاوت اضافه می‌کند. میدان فوق شامل دو ذره است: اکسیون (axion) که به منزله‌ی یک گزینه‌ی مطرح برای ماده‌ی تاریک به یکباره مورد توجه قرار می‌گیرد؛ و دومی نیز اینفلیشن (inflation) که به عنوان ذره‌ی مرتبط با تورم کیهانی مورد توجه است.”

مدل اسمش در مرحله‌ی آخر خود که شاید مهم‌ترین بخش آن هم باشد، از میدان فوق برای ارایه‌ی یک راه حل پیرامون مسئله‌ی پیچیده‌ی پنجم می‌کند: مسئله‌ی CP قوی.

البته این گروه اظهار کرده‌اند که آنها وقتی از قابل آزمایش بودن فرضیه‌ی خود سخن می‌گویند، به این مفهوم است که انجام این آزمایش با استفاده از نسل بعدی شتاب‌دهنده‌های ذرات خارج از توان نیست. همین امر باعث می‌شود که مدل اخیر نسبت به سایر مدل‌هایی که تا به حال برای این مسایل ارایه شده‌اند، قانع‌کننده‌تر باشند. آندریاس رینگوالد (Andreas Ringwald) یکی از اعضای تیم پژوهشی از سینکورتون الکترون آلمان در این باره در گفتگو با هال گفت:

“بهترین نکته در مورد تئوری ما این است که می‌توان آن را در ۱۰ سال آینده مورد آزمون و بررسی قرار داد.”

شاید شما همیشه بتوانید نظریه‌های جدیدی را ابداع کنید، اما اگر آنها از تئوری‌هایی باشند که تنها در ۱۰۰ سال آینده امکان آزمایششان فراهم شود یا اینکه هیچگاه نتوانیم آنها را آزمایش کنیم، در آن صورت چنین علمی در واقع علم به مفهومی که می‌شناسیم نخواهد بود؛ بلکه می‌توان آن را فراعلم نامید.

لازم به ذکر است که مدل اسمش هنوز باید در وهله‌ی نخست در یک مجله‌ی کارشناسی اولیه منتشر شود. پس هنوز نیاز است تا تحت بررسی‌های ریز و دقیق در دنیای ذرات فیزیکی قرار گیرد. اما نسخه‌ی اولیه‌ی پیش از انتشار آن در پایگاه arXiv.org در دسترس است و به این ترتیب فیزیکدانان مستقل می‌توانند برای آزمایش یا بررسی آن شانس خود را امتحان کنند.

احتمالا این یافته‌های جدید قرار نیست تا نقطه‌ی پایانی برای این پنج پرسش بزرگ باشد یا اینکه بتواند راه حلی نهایی را برای همه‌ی آنها در اختیار بگذارد. زیرا علم فیزیک به هیچ عنوان دارای نقطه‌ی پایانی نیست. اما این یافته‌ها می‌توانند آغازگر یک روند یا رویداد جالب و شگفت‌انگیز در آینده باشند. همانطوری که رینگوالد هم اشاره می‌کند: نبرد همیشه ادامه دارد!

ترجمه: بابک قهرمانی

این مطلب برای اولین بار در سایت زومیت منتشر شده است و اعتبار آن بر ایشان و مترجم محفوظ است.

منبع اصلی خبر

داخل ابر ماژلانی بزرگ که در حال چرخش به دور کهکشان راه شیری است، ساختاری دیده می شود که برای اخترفیزیکدانان به نام ” بقایای ابرنواختری” شناخته شده است. نظریه های تحول ستارگان بیان می کند که ستارگان پرجرم تر زندگی کوتاه تری دارند و جرم خود را در ابعاد وحشتناکی به انرژی تابشی تبدیل می کنند. هنگامی که سوخت هسته ای ستاره به پایان می رسد، روندی شروع می شود که با منفجر شدن لایه ی خارجی گاز و گرد و غبار ستاره پایان می پذیرد و ستاره از بین می رود.

منجمین خاطر نشان می کنند که اِتا کارینا (شاه تخته)(Eta Carinae) که نام دیگر آن (N 63a) می باشد، بادهای شدیدی از مواد را با سرعت های خیلی بالا از خود به بیرون فوران می دهد که برخورد های قله ی موج حرکت کننده ی مواد ، در محل تقاطع پوسته های گاز و پلاسما، پرتو های پر انرژی ایکس تولید می کنند، چرا که گفته می شود موج پس از انفجار یا موج ضربه ای درداخل  سحابی در حال انتشار است ، اگرچه همچنین گفته می شود که این باد ها بسیار یونیزه هستند. تصور می شود که در هنگام حرکت الکترون به جلو وعقب در میدان مغناطیسی، الکترون به فوتون هایی با فرکانس پایین برخورد کرده و در نتیجه ی آن، پرتو ایکس تولید می شود.

در مقالات قبلی منتشر شده در سایت پروژه آذرخش، استدلال هایی وجود دارد که بیان می کند ساختار های متفاوتی برای منابع فعال انرژی می توانند وجود داشته باشند. برخی از آن ها مواد دارای بار الکتریکی را از قطبین خود به بیرون پرتاب می کنند، یا که اثراتی به صورت دنباله هایی از مواد به طول هایی از مقیاس سال نوری باقی می گذارند و یا حتی بصورت رشته هایی به هم پیچیده شده به شکل ساعت شنی هستند.

اتا کارینا (شاه تخته) شکلی مانند ساعت شنی دارد که حاصل از تخلیه یا دشارژهای شدید پلاسمایی است. به نظر می رسد که تشعشعات آن ۴ ملیون برابر روشنتر از خورشید هستند، که نشان دهنده یک چگالی جریان بسیار بالا در داخل یک زد پینچ (Z-Pinch) اختری است. نورهای حاصل از تخلیه های داخل اتا کارینا (شاه تخته) به اندازه ای روشن هستند که توانایی تولید پرتو ایکس را دارد که می توان در سطح زمین که درفاصله ای به اندازه ۷۵۰۰ سال نوری از آن قرار گرفته ، آشکار سازی شوند. درسال های ۱۸۰۰ میلادی، ۱ فلاش نوری مرئی از آن خارج شد که در آسمان روشن تر از ماه بود. سپس، از سال ۱۸۰۰ تا سال ۱۹۴۱ پنهان شد، تا اینکه مجدداً شروع به درخششی کرد که با چشم غیر مسلح  قابل دیدن بود، و تا به امروز باقی مانده است. طرفداران مدل جهان الکتریکی فکر می کنند که این تغیرات به خاطر تغییرات در جریان مدار های الکتریکی است که از حرکت دو ستاره ی بزرگ در قلب این سیستم حاصل شده است.

پیش تر اعلام شد که منجمین طرحی ۳ بعدی از مواد خارج شده از اتا کارینا (شاه تخته) در قرن ۱۹ درست کرده اند. همان طور که توماس مادورا از مرکز پرواز فضای گادارد(Goddard Space Flight Center) نوشته است:

“مدل ما نشان می دهد که این پوسته ی عظیم متشکل از گاز و گرد وغبار، منشاءی پیچیده تر از آنچه عموما فکر می کنیم دارد. برای اولین بار ما مدارکی دال بر اثر مستقیم فعل و انفعالات ستارگان داخلی سحابی و لایه های درونی آن در تشکیل و ساختار سحابی که امروز ما می بینیم پیدا کرده ایم.”

در این مدل ۳ بعدی سحابی ، نقاط مختلف ” برآمدگی، حفره ونامنظمی هایی در طیف مولکول های هیدروژن منتشر شده از آن دیده می شود.” بطور طبیعی، این مدل بر اساس انتقال و تغییرات طول موج نور دراثر حرکت ابرهای یونیزه شده در فضا پایه گذاری شده است. به جای جابه جایی نور، با اثر دوپلر، مدل جهان الکتریکی پیشنهاد می کند که این پرتوهای سینکترونی از طرف سیستم های دوتایی فعال الکتریکی ناشی می شود.

وقتی الکترون ها حرکت می کنند، جریان الکتریکی حاصل می شود. حرکت ذرات باردار در راستای یک میدان مغناطیسی در واقع جریان هم سو با میدان ایجاد می کنند، که آن را امروزه به نام جریانهای بریکلند می شناسیم. تابش سینکترونی به عنوان نوعی تابش الکترومغناطیس می باشد، که بر اثر حرکت سریع الکترون ها در جهتی که زاویه با میدان می سازد و این الکترون ها تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند، تولید می شود. این میدان نیرویی به این ذرات می دهد که باعث حرکت دایره وار و مارپیچی به دور میدان مغناطیسی می شود.

شکل ساعت شنی گونه ی اتا کارینا (شاه تخته) در واقع نشان دهنده ی پلاسمایی بودن آن است، نه گازی بودن آن. ستارگان، کهکشان ها، سحابی ها و سیارات، همگی در حال حرکت در درون پلاسما در فضا هستند، بنابراین همه ی آنها تحت تاثیر بارهای الکتریکی هستند. تئوری های مبتنی بر گازهای فشرده، امواج ضربه ای و بادهای ذرات در فضا، درواقع ضعف جدی درک و فهم ما را در جامعه ی نجومی نشان می دهد. سحابی ها معمولا رفتاری مانند پیچش های طولانی و حباب هایی در ساختار ساعت شنی گونه ی متقارن خود دارند. اینها همان بی ثباتی هایی است که در سحابی های کوتوله یا همان اتا کارینا (شاه تخته) دیده می شود.

استفان اسمیت

ترجمه: بردیا قبادی

Homunculus in 3D

Translator: Bardia Ghobadi

همچنین جهت دانلود شبیه سازی های انجام شده روی شاه تخته، کلیک کنید.

مطالب ما را با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” منتشر کنید

این فیلم را با زیرنویس فارسی می توانید از اینجا دانلود و مشاهده کنید. (حجم ۳۷ مگ)

ترجمه از محمدجواد شاه حسینی

همچنین اگر به بحث دنباله دارها علاقه مندید، میتوانید مقاله دنباله دارهای حیرت انگیز که برای مخاطبین عام در سایت انجمن نجوم آیاز تبریز منتشر گردید مطالعه کنید، برای علاقه مندان به بحث های تخصصی هم مقاله مقایسه مدل های گلوله یخی کثیف و دشارژ پلاسمای دنباله دارها پیشنهاد می گردد.

همچنین می توانید در صورت تمایل فیلم را با زیرنویس فارسی در یوتیوب تماشا کنید:

Comets as Water Factories with Persian subtitle – Download

Translator: Mohammad Javad Shah’hossaini

هرگونه استفاده از این محتوا تنها با ذکر نام بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش آزاد می باشد

طلوع خورشید تمام منظره را به وسیله ی نور مرئی (و نامرئی )روشن می کند

نور مرئی در محدوده ای از قرمز تا کاملا زرد و سبز تا آبی و سپس بنفش، مرتب شده است. نیتون اولین کسی بود که پی برد؛ نور سفید ترکیبی از تمام رنگ هاست.نور سفید می تواند به وسیله ی (انکسار) پراش از طریق یک منشور به اجزاء (رنگهای) تشکیل دهنده اش شکافته شود، هر کدام از رنگها  به مقدار متفاوتی “خمیده می شوند”. شبکه ی پراش، اغلب در ستاره شناسی مورد استفاده قرار می گیرد،از توری پراش معمولا در ستاره شناسی و نجوم استفاده می شود ، چون نوری که از منابع ضعیف نوری دریافت می شود ، پس از عبور از یک سطح سخت که منافذ عبوری نازک و موازی دارد، انرژی از دست رفته کمتری دارند در مقایسه با زمانی که از یک منشور شیشه ای عبور می کنند.

نور سفید می تواندبه وسیله ی بازتابش از شبکه های فلزی مسطح که به طور ظریفی شبکه بندی شده اند، به رنگهای تشکیل دهنده اش  تجزیه شود. اهدا شده از NASA,Jet Propulsion Laboratory

نهایتا ماکسول کسی است که معادلات میدان الکترومغناطیسی را تعریف کرد، او ثابت کرد که که نور درواقع متشکل از امواج الکترومغناطیسی  است (EM). هر رنگ ناحیه ی مرئی نور دارای فرکانس و طول موج مشخصی است. همانند دیگر امواج،حاصلضرب فرکانس و طول موج ، سرعت نور را می دهد. بدیهی است که نور با سرعت ثابت نور سفر می کند، اما ماکسول توانست از معادلاتش برای نشان دادن اینکه همه ی موجهای الکترومغناطیس با سرعت ثابت نور در حرکتتد،استفاده کند، و نتیجه بگیرد که نور باید یک  موج الکترومغناطیسی باشد.

نور مرئی درواقع نمایانگر بخش کوچکی از فرکانس ها و طول موجهای ممکن است، تمام این محدوده به عنوان طیف الکترومغناطیسی شناخته شده است.

۱۱٫۲ طیف:

اگرچه طیف پیوسته است، هر ناحیه از آن از رویموج معمول آن قسمت از طیف، نام گذاری شده است.

با پایین ترین فرکانس، طولانی ترین طول موج، شروع می کنیم، طیف از امواج رادیویی به سمت امواج ماکروویو (مانند اون)، تابش تراهرتزی (توسعه های اخیر در ارتباطات نظامی)، فروسرخ (دستگاه های تولبد گرما)، امواج مریی (قرمز، نارنجی، زرد، سبز، آبی، نیلی، بنفش)، فرابنفش (لامپ های پزشک قانونیو وسیله های برنزه شدن، تحلیل گرهای مواد)، اشعه ی ایکس (تصاویر پزشکی)، و تا اشعه ی گاما (درمان سرطان) می رود

طیف در نمودار زیر نشان داده شده است. دقت داشته باشید که طیف مریی تنها قسمت کوچکی از کل طیف می باشد. هنگامیکه مدل گرانشی فرمول بندی شد، دانشمندان می توانستند فقط نور مریی را از آسمان ها ببینند.

نمودار طیف الکترومغناطیس، به همراه عکس هایی از سحابی خرچنگ که نشان می دهد چگونه میشد اگر ما میتوانستیم فراتر از محدوده ی چشممان ببینیم.

در قرن بیستم، و مخصوصا از آغاز عصر فضا در سال ۱۹۵۰، دستگاه ها توسعه یافته  اند، و در نتیجه دانشمندان این اجازه را پیدا کردند که تقریبا تمامی طول موج ها را شناسایی کنند. در نتیجه مقدار اطلاعات قابل دسترس به صورت نمایی افزایش پیدا کرد. اغلب مشاهدات غافلگیرکننده هستند زیرا چیزی(پدیده های) که درطول موج  مریی مشاهده می شود به ندر ت با چیزی که در سایر طول موج ها یافت می شود، مشابه است.

طیف رادیویی الکترومغناطیس، جزییات ناحیه ی نور مریی را نشان میدهد.

مشتری که درطول موج ها دیده می شود (سیاه و سفید)، همراه با شفق هایش امواج مریی اشعه ی ایکس تابش می کند (که به رنگ بنفش بصری که ” رنگ کاذب” ما باشد برای ما قابل مشاهده است )

۱۱٫۳ تابش:

تابش فرآیندی است که به موجب آن انرژیی که از یک جسم ساطع می شود، توسط یک رسانه و یا از طریق فضا منتقل می شود، و در نهایت توسط یک جسم دیگر جذب می شود. انتشار و جذب کردن تابش توسط اجرامی ماننداتمهای کوچک و یاحتی ذرات زیر اتمی مانند الکترون ها صورت می گیرد.

امواج الکترومغناطیس موجوداتی هستند که به وسیله ی آنها انرژی انتقال داده می‌شود. به عبارت دیگر، تمام تابش ها الکترومغناطیسی هستند.

این بدان معنی است که نحوه انتقال تابش از طریق نوسان میدان های الکتریکی و مغناطیسی حامل انرژی می باشد ،درست شبیه به روشی که ارتعاشات در طول یک رشته، انرژی را حمل می کنند. از آنجا که سرعت انتقال انرژی ارتعاشی برای یک محیط ثابت است، و مقدار آن برابر است با فرکانس موج ارتعاشی در طول موج(فرکانس ضربدر طول موج= سرعت).اگر شما فرکانس را بدانید، می توانید سرعت را برای طول موج در آن فرکانس بدست آورید و بلعکس.

طیف محدوده وسیعی از فرکانس ها یا طول موج های ممکن تابش را نشان می دهد. همانطور که فرکانس افزایش می یابد، مقدار انرژی حمل شده توسط موج نیز متناسب با فرکانس افزایش می یابد. تابش های یونیزه، تابش‌هایی هستند که انرژی کافی را برای یونیزه کردن اتم ها حمل می کنند. به طور کلی، فرکانس ها از رادیویی تا مرئی، انرژی کافی را برای این کار حمل نمی کنند، در حالی که فرابنفش، اشعه X و گاما می توانند اتمها را یونیزه کنند.همانطور که قبلا اشاره شد، انرژی یونیزاسیون برای عناصر و مولکول های مختلف متفاوت است.

تابش زمانی رخ می دهد که یک ذره باردار شتاب بگیرد. به یاد داشته باشید که تغییر جهت نیز نشان دهنده ی شتاب است، زیرا جهت سرعت در حال تغییر است، پس هر ذره باردار که دچار یک تغییر جهت شود ، شتاب می گیرد و اشعه ساطع خواهد کرد.

نمایی از تابش الکترون که تحت تاثیر شتاب واقع شده است

نظریه های فعلی دلیل ساطع شدن اشعه را از تابش یک فوتون ، یا یک بسته ی انرژی می دانند. یک فوتون،جرمی ندارد، اما انرژی تابش شده را به طریقه‌ی امواج الکترومغناطیس حمل می کند. رفتار یک فوتون شبیه به هردومورد موج وذره است و اینکه کدام حالت بیشتر مناسب است بستگی به شرایط دارد.

به طور خلاصه:

تابش به وسیله ی همه‌ی ذرات باردارتحت تاثیر شتاب ساطع می شود.

تمام تابش ها شامل امواج الکترومغناطیسی هستند.

تابش انرژی منتقل می کند.

طیف،  محدوده وسیعی از فرکانس ها یا طول موج های ممکن تابش را نشان می دهد.

۱۱٫۴ تابش حرارتی:

تابش حرارتی یا گرمایی، تابش ساطع شده از سطح یک جسم،یا ناحیه ای از ذرات، بخاطر دمای آن جسم یا ناحیه است.

دما معیاراندازه گیری انرژی حرارتی داخل جسم است. انرژی گرمایی باعث می شود ذرات باردار داخل اتم ها در جسم، در جهت های تصادفی به ارتعاش در بیایند. سپس آنها یک طیف فرکانسهای متفاوت ،تابش کنند. به طور مشابه  یک ناحیه از پلاسما هم می تواند حرارت داشته باشد.

نسبتی از این تابش از سطح جسم یا ناحیه به عنوان حرارت (تابش مادون قرمز) ساطع می شود. در واقع تمام مواد با هر حرکت حرارتی داخلی تابش انرژی EM دارند، هرچه سردتر باشد طول موج تابش بلندتر است. غبار بین ستاره ای سرد با فرکانس تراهرتز یا طول موج ریز میلیمتر تابش می شود و از دمای ۱۰ کلوین شروع می شود.

نیمکره شب عمیق زحل سرد در مادون قرمز تصویر برداری شده است توسط اسپکترومتر حرارتی کاسینی در سال ۲۰۰۶ تصویر برداری شده است.  Image courtesy, NASA / JPL / Cassini Imaging Team

به دلیل طبیعت بی نظم ارتعاشات ، در تعداد زیادی از ذرات ،اشعه ی ساطع شده در یک گستره فرکانس یا طول موج خواهد بود. تحلیل آماری نشان می دهد که وضعیت ایده آل تابش انرژی درهر طول موج، تابعی از همان طول موج است. این به عنوان قانون پلانک شناخته شده است، که به صورت نموداری در پایین برای محدوده ای از دماهای مختلف نشان داده شده است. تشعشعات تابشی دراین وضعیت ایده آل به عنوان تابش جسم سیاه شناخته شده اند، و واضح است، که الگوی توزیعی را، که از تابش کننده ی کامل در تعادل گرمایی انتظار می رود، دارند.

نمودار نشان می دهد که برای هر دما یک طول موج که بیشترین مقدار انرژی را تولید می کند، وجود دارد. همانطوری که دما افزایش می یابد، طول موج انرژی اوج(بیشترین انرژی)کاهش میابد.این توسط قانون دیگری به نام قانون وین شناخته شده است. به یاد داشته باشید که خط قرمز،به نسبت خطوط داغتر آبی رنگ، دارای دمای پایین و فضای کمتر زیر منحنی است.

فضای زیر هر یک از منحنی های دما، مجموع مقدارانرژی ساطع شده در همان دما در واحد سطح را می دهد. مجموع انرژی ساطع شده در واحد سطح تنها به دما بستگی دارد.که به عنوان قانون استفان بولتزمن شناخته شده است.

تابش ایده آل جسم سیاه برای ۳ دما؛ نشان می دهد که منحنی طول موج ساطع شده، توسط افزایش دما ، به بالاترین فرکانس (طول موج کوتاهتر)،انتقال می یابد.

اگر الگوی تابش ساطع شده از هر منبع در شکلی که توسط قانون پلانک داده شده ، توزیع شود؛ پس فرض می شود که انتشار به علت جنبش های حرارتی تصادفی ذرات درون منبع باشد. پس می گوییم که تابش ،تابش حرارتی است. تمام این به این معناست که تابش ، یک توزیع از طول موج یا فرکانس هایی که از ارتعاشات حرارتی تصادفی آمده است را داراست. این تابش خودش، تابش الکترومغناطیسی است، مانند هر تابش دیگر.

اگر دریابیم که تابش حرارتی است ، پس از آن می توانیم دمای منبع را توسط مقایسه کردن منحنی تابش ساطع شده با منحنی ایده آل “جسم سیاه” مشخص کنیم. می توان نتیجه گرفت که، می توانیم دمای اجسام دور را اگر تابشی که آنها ساطع می کنند تابش حرارتی باشد، مشخص کنیم. ستاره های یافته شده،طیفی نزدیک به طیف توزیع جسم سیاه دارند، پس دمای آنها با توجه به رنگشان می تواند از روی طیفشان استنتاج شود.

تابش غیر حرارتی به وضوح ،یعنی تابشی که در یک الگوی حرارتی ساطع نمی شود. بنابراین باید از روش های دیگری به جز از حرکات تصادفی به وجود آمده از دما، در ذرات یک سیستم در دمای تعادل تولید شود.

قسمت بالا نمی‌گوید که، درجه حرارت نمی تواند در ایجاد سایر الگوهای تابش نقشی بازی کند؛ بلکه تنها گویای این حقیقت است که؛ سیستم ویا جسمی که تابش ساطع میکند در تعادل گرمایی قرار ندارد. به عبارت دیگر ، انرژی در حال رد و بدل شدن با سیستم است، پس دمای آن سیستم همواره با زمان تغییر پیدا می کند.این الگو ، تابش ایده آل جسم سیاه را تغییر می دهد (دگرگون می کند) و به این معناست که تعیین دمای جسم ممکن نیست.

متناوبا، تابش ممکن است توسط ذرات منفرد شتابدار ناشی از برخورد تصادفی وسایل دیگر با سایر ذرات تابش شود.

۱۱٫۵٫ تابش نور در کیهان

تابش معمول در کیهان، در طول موج مرئی و رادیویی است. اکثریت این تابش ها، حاصل پرش الکترون به مدارهای جدید در داخل یک اتم هستند (حالت گذارمحدود)، الکترون های آزاد برای تشکیل اتمهای خنثی، با یونها ترکیب می شوند (حالت گذارنامحدود) و به دلیل اثر متقابل (فعل و انفعال) با مواد دیگر از سرعت الکترونها کاسته می شود (تابش آزاد-آزاد)

حالتهای گذار مقید به محدودیت ، چشمه هایی برای هر دو نوع خطوط نشر و جذب در طیف هستند. هر عنصر شیمیایی دارای یک مقدار انرژی محدود است؛ که با محدوده ی ممکن برای چرخش الکترون به دور هسته ی هر عنصرارتباط دارد.در راستای پرش الکترون از مداری به مدار دیگر، تابش یا جذب شده،یا به بیرون رانده می شود.انرژی نمایانگر تفاوت انرژی مدارهای چرخش الکترون است و دقیقا برای هر پرش ممکن، بین تراز های انرژی تعریف شده است.

از آنجا که انرژی یک فوتون متناسب با فرکانس آن است،  این تفاوت انرژیها در تابش باعت  تعریف فرکانس های مشخصی برای هر نوع عنصرمی شود. اگر انرژی تابش ساطع شده برای یک عنصربرای هر فرکانس در طیف، رسم شود؛ در این صورت ،نمایش هندسی این فرکانس ها دارای قله های نوک تیز است.اینها به عنوان خطوط نشر شناخته می شوند.

از سوی دیگر، اگر نور با محدوده ی وسیعی از فرکانس، از میان یک محیط حاوی عناصر خاص یا مولکول ها گذر کند، این عناصر درانرژی جذب شده، در فرکانس مشخصه اشان یافت میشوند. در طیف به دست آمده، آن فرکانس ها ناپیدا خواهند بود، و خطوط سیاهی ظاهر می شوند.اینها به عنوان خطوط جذب شناخته می شوند.

در پایین، نور زرد ابتدایی خط نشر سدیم، از اتم های سدیم گرمادیده می باشد. در بالا، یک طیف جذبی وجود دارد،جایی که نور از چشمه ای (منبعی) شبیه به جسم سیاه ( برای مثال یک ستاره) در طول قسمتی از فضا که حاوی سدیم است، از راهی که یک مشاهده گر یا یک ابزار تصویر برداری وجود دارد گذر میکند. خطوط سیاه جاهایی هستند که اتم سدیم جذب نور را ترجیحا در آن فرکانس دارد و خطی سیاه در آن محدوده به جای می گذارد. تصویر اهدایی از  ThinkQuest (www.thinkquest.org), funded by the Oracle Education Foundation

در اینجا تابش جسم سیاه و خطوط جذبی و تابش پیوسته را معرفی می کنیم؛ و هم چنین در اینجا نیز بیشتر به کاوش در زمینه ی گسترده تر طیف سنجی می پردازیم.

به عنوان مثال، اگر یک عنصر در داخل یک ستاره حرارت داده شود، آنگاه عنصر، تابش مشخصه ی خود را از دست خواهد داد که  روی زمین ما آن را به صورت خطوط نشری روشن دریافت می کنیم. از طرفی دیگر، اگر پهنای نور از یک جذب کننده ی متوسط که بین مشاهده کننده و منبع نور قرار گرفته عبور کند، آگاه می توانیم با دنبال کردن خطوط جذبی تاریک عناصری که در آن جاذب متوسط وجود دارد را مشخص کنیم.

انتقالات آزاد-محدود زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها توسط یون ها اسیر شده و موجب آزاد شدن انرژی به صورت رخ دادن های نوترکیبی شود. مقدار انرژی آزاد شده به شکل عنصر و مداری که الکترون اشغال کرده، بستگی دارد. همانطور که در انتقال محدود-محدود، ممکن است فرکانس های خاصی غالب باشند.

تابش آزاد-آزاد زمانی اتفاق می افتد که الکترون ها تحت یک برخورد آزاد با یک یون قرار بگیرند یا ذرات گرد و غبار در پلاسما را شارژ کنند. مسیر الکترون هنگامی که از کنار ذرات دیگر عبور می کند، عوض خواهد شد، و همچنین تابشی ساطع می کند، که بعضی از آنها ممکن است در طیف مریی باشند.

۱۱٫۶ تابش رادیویی در کیهان:

پرتوهای رادیویی برای ما با اهمیت هستند زیرا بسیاری از آنها می توانند در لایه یونوسفر زمین نفوذ کنند و سپس با رادیو تلسکوپ های زمینی شناسایی شوند.

آرایه  تلسکوپ رادیویی ذز New South Wales، استرالیا، تصویر: (University of Waikato and Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO

برخی از امواج رادیویی حاصل رفتار جمعی تعداد زیادی از الکترون ها در پلاسما است. اگر پلاسما به اندازه کافی چگال باشد، الکترون ها می توانند با یک فرکانس شناخته شده به عنوان فرکانس پلاسما نوسان کنند، که تنها به چگالی الکترون ها در آن ناحیه بستگی دارد . این نوسانات به روش معمول تولید اشعه می کنند.

 خورشید، (با رنگ غیر واقعی) در طول موج رادیویی با فرکانس ۱٫۴ گیگاهرتز، با انتشار قوی در ناحیه فعال در کمربند استوای خورشیدی، تصویر اهدایی رصدخانه نحوم رادیویی ملی (NRAO/AUI)

این نوع از تابش معمولا هنگامی که باریکه ای از الکترون ها است پدید می آید، برای مثال ممکن است با شتاب گرفتن میان یک ، دولایه که از ناحیه ای ازپلاسما خنثی می گذرد، تولید شود.از دیگر ساز و کارهای فرکانس رادیویی تولید تابش در جایی است که میدان مغناطیسی وجود دارد. عبارتند از تابش سیکلوترون ( که در آن الکترون ها سرعت غیر نسبیتی دارند)، تابش Magneto-Bremsstrahlung ( که در آن الکترون ها سرعت تقریبا نسبیتی دارند)  و تابش سنکترون ( که در آن الکترون سرعت نسبیتی دارد.)

تابش سینکترون بوسیله الکترون های مارپیچی در جهت میدان مغناطیسی مانند آنچه در جریان بیرکلند پدید می آید. (تصویر ۱۱٫۳ در بالا). شتاب مرکزگرا باعث تابش می شود. و بازهم، تشعشعات می توانند در تمامی فرکانس ها در طیف رخ دهد.

در اخترفیزیک، تابش رادیویی غیر حرارتی در بیشتر موارد تابش سنکترون است. این برای انتشار رادیویی کهکشانی، حلقه های ابر نواختر، کهکشان های رادیویی دوتایی،  و کوازارها درست است. علاوه بر آن خورشید و مشتری هردو تابش سنکترون پراکنده دارند.

تابش سینکروترون می تواند فرکانس های نوری تولید کند، همانند چیزی که در سحابی خرچنگ و جت های M87 دیده می شود. سحابی خرچنگ (فیلم کوتاه یوتیوب) مقادیر زیادی از تابش اشعه X سینکروترون ساطع می کند.

تجزیه و تحلیل طیف سینکروترون می تواند اطلاعاتی درباره ی منشا الکترون های نسبیتی بدهد، که ممکن است تاثیری روی منشا پرتو های کیهانی، اشعه های X ، اشعه های گاما در فضا داشته باشند. تابش سینکروترون همچنین دلیلی برای وجود میدان های مغناطیسی وسیع در فضا و تبدیل، ذخیره سازی، و انتشار مقادیر زیادی از انرژی در پلاسمای کیهانی، از جمله جت های کهکشانی باشد. اطلاعات بیشتر در مورد تابش سینکروترون برای پژوهشگران علاقه مند اینجا یافت می شود.

Z پینچ ها همچنین می توانند به عنوان نتیجه‌ی نیروی V  تابش سینکروترون تولید کنند.

اخترشناسی رادیویی می تواند محدوده اطلاعات در دسترس مارا بیشتر از اطلاعاتی که از  تلسکوپ های مرئی استخراج می شوند، گسترش دهد. آشکارسازی طیف انرژی بالاتر مانند اشعه X می تواند این دانش را یک مرحله ارتقا دهد.

کهکشان فعال NGC 5128 ، تصویر ترکیبی در ریز میلیمتر(radio plumes ؛ نارنجی)،مریی (سفید) و تابش اشعه X (آبی). قطر کهکشان حدودا ۲۰۰۰۰۰ سال نوری است؛ فاصله تخمین زده شده ۱۰ میلیون سال نوری است.

Credit: X-ray: NASA/CXC/Cfa/R. Kraft et al.: sub-millimeter: MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. Optical: ESO/WFI

ویدیوی کوتاه ناسا در مورد این کهکشان در اینجا است، اگر چه نظریه ی جهان الکتریکی اعتقادی به سیاهچاله ها ندارد’ که باعث جت های کهکشانی و تابش حاصل از آن ها می شوند.

در تمامی موارد دیدیم که پلاسما و جریان های الکتریکی که در درون آن وجود دارند ساطع کننده ی بسیار خوب پرتوها هستند. زیرا، همانطور که دیدیم، الکتریسیته در پلاسما شتاب دهنده ی بسیارخوب ذرات باردار می باشد، که از طریق میدان های الکتریکی در سراسر دولایه ها، که ذرات پس از آن پرتو تابش می کنند. تحقیقات جالبی در آرشیو arXiv در اینجا موجود است.

رشته های پلاسمای خورشیدی درتاج پایین تر خورشید آشکار می کند در نور ماورابنفش توسط ابزار TRACE،

courtesy The TRACE Picturebook, NASA

به نظر می رسد که این تولید کارامد از تابش توسط مکانیسم های الکتریکی خیلی شبیه منشا بسیاری از تابش هایی باشدکه در فضا آشکار سازی می شوند، نسبت به مقدار بسیار زیادی از ماده تاریک و ماده ابرچگال که لازمه ی توضیح شتاب ذرات فقط با استفاده از گرانش است.

البته، ‘ اتصال مجدد مغناطیسی’ ، قطع شدن و اتصال مجدد خطوط میدان مغناطیسی، همچنین اغلب برای توضیح این نوع از شواهد در مدل گرانشی استناد می شود. همانطور که دیدیم، این به سادگی غیر ممکن است چراکه خطوط میدان مغناطیسی مانند خطوط طول جغرافیایی وجود فیزیکی ندارند (قابل مشاهده نیستند).

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

منبع:

https://www.thunderbolts.info/wp/2012/03/30/essential-guide-to-the-eu-chapter-11/

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

سحابی های سیاره نما گاهاً ، مشخصه های متقارن دو قطبی با مرکزیت پینچ پلاسمایی، جت های قطبی و یک صفحه خمیده در محور استوایی ، از خود نشان می دهند .  تصویر از NASA, ESA and the Hubble Heritage Team.

۶٫۱.حرکتهای گرمایی و جریان

بسیار مهم است که بین حرکت گرمایی تصادفی وحرکت یکنواخت خطی در پلاسما تمایز قائل شویم .دسته ی دوم یک جریان الکتریکی است که جاری شدنش ناشی از حضور یک میدان الکتریکی می باشد.

حرکتهای گرمایی تصادفی به وسیله ی درجه حرارت پلاسما ،یا به وسیله ی درجه حرارت یونها و الکترونها؛ در صورتی که درجه حرارت آنها متفاوت باشد به صورت جداگانه اندازه گیری می شود.این نوع حرکت ذرات باردار،یک شکلی از جریان است، اما به نوعی که در یک موقعیت مکانی میانگین نوسان می کند،و با حرکت در یک جهت خاص مخالفت می کند .به طور صریح ،حرارت فقط میتواند در صورتی یک مقیاس دقیق برای اندازه گیری انرژی باشد، که سرعت توزیع تک تک ذرات به صورت ماکسولی باشد، به شکلی که توزیع سرعت ذرات معادل با نتیجه ی برخوردهای الاستیکی باشد.

حرکت خطی یکنواخت ، از یک میدان الکتریکی نتیجه می شود و نمایش دهنده ی یک جریان رانشی است .تمام ذرات با علامت بار مشابه(مثبت یا منفی) تحت تاثیر میدان الکتریکی در یک مسیر یکسان حرکت میکنند. به این معنا که در پلاسما،بخاطر وجود تعداد تقریبا مساوی از ذرات مثبت و منفی ، ( “پلاسما در حالت کلی خنثی است” ) در می یابیم که جهت حرکت ذرات با بار مثبت در جهت مخالف با حرکت الکترونها است.

تمامی ذرات دارای انرژی جنبشی هستند، که ممکن است زیاد باشد، اما درجه حرارت بخاطر این حرکت خطی ناشی از حضور میدان الکتریکی نیست ؛ چون دما معیاری است که برای اندازه گیری انرژی ذراتی که با سرعت های تصادفی تحت تاثیر برخوردهای متعدد هستند، استفاده می شود. همانطورکه هر دو نوع حرکت در امتداد مسیری در جهت های تقریبا یکسان یا موازی با هم هستند، چگالی پلاسما نیز نسبتا کم است، برخوردها اندک است، و شرایط برخوردی ماکسولی فراهم نمی شود.

هر دو حرکت ،در جایی که جریان روان است ،به صورت همزمان وجود دارند . حرکت جریان یا رانش ذرات، با حرکت تصادفی آنها باهم تلفیق شده اند. روش دیگر نگاه به این موضوع این است که تصور کنیم  مکان میانگین واقعی که ذرات در محدوده آن حرکت تصادفی دارند ،با سرعت رانشی هم جهت با  مسیر جریان در حرکت است .

۶٫۲ جریان های الکترون و یون

تا کنون دیده ایم که الکترون ها به خاطر جرم کوچکتری که نسبت به یون ها دارند، سرعت بیشتری دارند. اگرچه ، یک الکترون به اندازه ی بار الکتریکی منفی حمل می کند که یک پروتون بار مثبت حمل می کند، پروتون سبکترین فرم از یون است. بنابراین، سرعت بالای الکترون ها به معنی این است که آنها خیلی مؤثرتر ازیون ها در حمل جریان پلاسما نقش دارند.

نسبت جریان الکترون به جریان یون دریک جریان پلاسمای غیر نسبیتی ، با جذر وارون نسبت جرم ها به هم دیگر متناسب است. برای یون مثبت سبک ، یک پروتون ، به  این  معنی است که جریان  الکترون  در حدود ۴۳ بار بزرگتر از جریان  یون  است .( اگر جرم یک الکترون  را یک درنظر بگیریم ، جرم یک  پرونون به اصطلاح درحدود ۱۸۳۶ بار بزرگتر است . جزر نسبت  ۱۸۳۶ برابر است  با ۸۵/۴۲ )..

در اکثر موقعیت ها حرکت و جنبش الکترون ها  چیزی است که رفتار پلاسما رامشخص می کند.

۶٫۳ دشارژ جریان  درلوله های آزمایشگاه

پلاسما در آزمایشگاه بیش از صد سال است که مورد آزمایش و مطالعه قرارگرفته است ، و مقدارعظیمی از داده ها و تجزیه  وتحلیل ها در دسترس است. یکی از آزمایشات پایه ای در این زمینه ، شامل یک لوله ی برانگیخته دشارژی است، که دراین لوله جریان از میان گازی با فشار پایین همچون بخار جیوه عبور می کند. این کار باعث یونیزه شدن گاز می شود و در داخل لوله پلاسما تشکیل می شود.

لوله تخلیه شده (گاز فشار پایین) به همراه آند و کاتد و منبع نیروی ولتاژ بالا

Wiki Creative Commons منبع عکس

۶٫۴ لوله های تابشی تخلیه الکتریکی

تعریف های متعددی از لوله های دشارژ موجود هست که نیازی نیست دراین بخش با جزئیات تکرارشوند. نکات مورد توجه برای هدف های حال حاضر در ادامه به صورت زیراست:

1. در داخل لوله، نوار هایی قابل رویت در طول محوری که پلاسما برافروخته است دیده می شود،که توسط نوار های”سیاه”در جایی که برافروختگی وجود ندارد، دربرگرفته شده اند.این نوار های مختلف دو روش از سه طریقه ی ممکن از عملکرد پلاسما را وقتی که جریان حمل می کند، نشان می دهند.

2. بدون شک، نوار های سیاه ناحیه ای با جریان تاریک را توصیف می کنند. در این ناحیه ها سرعت الکترون پایین تر از حد لازم است که سبب برانگیختگی قابل رویت از اتم های خنثی گاز شود، و یونیزاسیون در جریان های بالا اتفاق می افتد. با این حال، در قسمت های تاریک تابش با طول موج در محدوده مرئی رخ نمی دهد و می بایست از طریق وسیله های غیر بصری مشاهده شوند.

3. نوارهای روشن برانگیختگی عادی را نشان می دهند. در اینجا سرعت الکترون ها باعث می شود یونیزاسیون اتفاق بیافتد. این روشنایی مربوط به تابش از طرف الکترون های اتم های خنثی پس از برانگیختگی در اثر برخورد با الکترون های آزاد پرسرعت است.

۴ . سومین طریقه ی ممکن عملکرد پلاسما حالت قوس تخلیه الکتریکی است ، برای مثال ؛با نور بسیار زیاد کار های جوشکاری و پدیده صاعقه آشنا هستیم.

5. در لوله های برانگیخته ، انتظار می رود اختلاف پتانسیل بین الکترودها می تواند باعث ایجاد یک میدان الکتریکی ثابت در سرتاسر طول لوله شود. اما رفتارهای حالت پلاسما متفاوت است.

6. مشاهده شده است که، یک دو لایه ،در داخل لوله شکل می گیرد که میدان الکتریکی خارجی میان آند و کاتد را تغییر می دهد. دو لایه طوری تشکیل می شود که بیشترین افت پتانسیل در بین آن رخ دهد. دور از ناحیه دولایه ، بیشترین پلاسمای باقی مانده در ناحیه ی برانگیخته است، که به ستون مثبت معروف است. این ناحیه می تواند بخش قابل توجهی از طول لوله دشارژ را بگیرد.

7. در ستون مثبت تقریبا تعداد برابری از الکترون ها و یون ها حضور دارند. پلاسما در اینجا شبه خنثی است. چون که بیشترین افت پتانسیل در میان دو لایه رخ می دهد، یک گرادیان الکتریکی کوچک و ثابت، یا یک میدان الکتریکی، در داخل ستون مثبت بوجود می آید.

8. به نظر می رسد شباهت هایی بین ستون مثبت در دشارژ لوله و پلاسما در نواحی اطراف خورشید وجود دارد.

9. یکی دیگر از پیامد های آزمایش لوله ی تخلیه الکتریکی هم مربوط به بحث در رفتار پلاسما است که در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت.

۶٫۵ منحنی ولتاژ-چگالی جریان

نمودار ولتاژ- چگالی جریان در پلاسما، حالتهای تخلیه(دشارژ)

اگر منحنی ولتاژ نسبت به چگالی جریان در لوله ی دشارژ رسم گردد( چگالی جریان، جریان تقسیم بر مساحت لوله ی دشارژاست) سپس مشاهده می شود که سه حالت مختلف تابش پلاسما به سه بخش مختلف یک نمودار ناپیوسته که به عنوان نمودار ولتاژ-چگالی جریان شناخته شده است، منطبق می شود.

در حالت تخلیه ی تاریک نمودار ولتاژ-چگالی جریان با افزایش ولتاژ به طور نامنظم افزایش می یابد. هنگامی که ولتاژ به بالاترین مقدار لازم می رسد، یونیزاسیون شروع می شود و جریان به ازای افزایش بسیار کم در ولتاژ، به سرعت شروع به افزایش یافتن می کند.

سپس تخلیه به سرعت به حالت تخلیه ی تابشی تغییر خواهد کرد. این قسمت است که با یک تغییر چشم گیر در ولتاژ همراه است. ولتاژ به سمت پایین افت می کند زیرا هنگامی که تعداد زیادی الکترون توسط یونیزاسیون تولید شده اند تنها یک ولتاژ کوچک برای تولید یک جریان بزرگ مورد نیاز است.

یک اثر بسیار مهم اغلب در پایین ترین بخش چگالی جریان در ناحیه ی تخلیه ی تابش رخ می دهد. در واقع ولتاژ با افزایش چگالی جریان کاهش می یابد. به عبارت دیگر پلاسما بهینه ترین راه، عبور جریان با چگالی جریان بالاتر را انتخاب می کند ، چون افت پتانسیل کم است.

در حالیکه چگالی جریان همچنان بالاست افزایش دوباره ی ولتاژ به این معناست که بخش تخلیه ی تابش از منحنی ولتاژ-جریان دارای یک حداقل در یک مقدار خاصی از چگالی جریان است. این مینیمم نشان دهنده ی نقطه ی پایین ترین مقاومت برای انتقال جریان کل است. در پلاسمای کیهانی این اثر ممکن است در شکل گیری رشته های جریان توسط محدود کردن جریان در یک منطقه ی خاص مقطعی ، قابل توجه باشد.

به طور مشابه در حالت تخلیه ی قوس الکتریکی بسیار روشن، ولتاژ بار دیگر با افزایش چگالی جریان کاهش می یابد. اگر پلاسما به اجبار وارد حالت قوس شود بار دیگر به منظور کاهش افت پتانسیل به رشته رشته شدن متمایل خواهد شد.

۶٫۶ رشته ای شدن جریان

رشته ای شدن جریان به عنوان یک نوع رفتار طبیعی برای جریان ها در پلاسما مشاهده شده است،  منحنی J-V و و ساختار فیزیک در فضا به خودی خود ،گواه این مسئله هستند. مقاله ی دکتر” Anthony Peratt ” در مورد رشته ای شدن را میتوان در اینجا یافت.

به طور خاص، صفحات جریان (که بعدا مطرح خواهیم کرد)  میل دارند ، به خاطر توسعه ی گردابها، به رشته های مجزا و منفرد تقسیم شوند. این گردابها تا حدودی به گرداب هایی شبیه اند، که در داخل سیالی که در حال جریان است و لایه های کناری در جریان آن سرعت متفاوتی داشته باشد، تشکیل می شوند.(ناپایداری هلمهواتز)

کاتد مرکزی در یک لامپ کوچک پلاسما،که با یک ورقه جریان کروی برانگیخته احاطه شده که به سمت خارج پوشش شیشه ای (آند) ، جذب میشود،. جایی که جریان از سطح ورقه به طرف بیرون گسترش می یابد، ساختار های رشته ای تشکیل می شوند و در طول لامپ با فشار کم  گسترش می یابند

واضح است ،شرایط در داخل رشته های جریان به صورتی متفاوت از بقیه ی پلاسما هستند، این شرایط ، باعث شکل گیری یک دولایه بدون جریان الکتریکی در مرز رشته می شود، که در آن الکترونهای سریعتر به وسیله ی میدان الکتریکی در درون دولایه ،محدود می شوند.

در حال حاضر می توانیم ببینیم که رشته ها،سلول های پلاسمایی طویل شده حامل جریانی هستند که دولایی های بدون جریان اکتریکی (CFDL) ها در مرزها قرار دارند.

مدارک و شواهد از رشته ها و جریانهای الکتریکی در فضا، بسیار گسترده است. موجودیت ساختار رشته ای، از منظومه ی شمسی گرفته تا در مقیاس کهکشانی و بین کهکشانی، توسط اکثر ستاره شناسان در هر سطحی تصدیق شده است. تنها قسمت ناسازگاری بین مدل الکتریکی و مدل گرانشی این است که اگرچه  این رشته ها ساختارهای حامل جریان هستند، طبیعتا از قواننین الکترودینامیک پلاسما تبعیت می کنند، یا نوعی جتهای سیالی هستند که هزاران سال نوری به طویل شده اند،اما با شبیه سازی های کامپیوتری ، که در آن گرانش را ناشی از ماده ی سرد تاریک فرض کرده است ( CDM ). به صورتی گرانشی این رشته ها تشکیل می شوند.

در یک سیال، جت های خروجی به از هم پاشیدگی و تبدیل  شدن به غبار و دودهای کم سرعت ، تمایل دارد.

 توربین های یک هواپیما جت هایی از گاز را خارج می کند، در اینجا به صورت پسدمه ی موتورهای عقبی از بلورهای یخ،  در مسافتهای نزدیک به توربین ها به نظر می آیند، که به سرعت گسترش می یابند، این همان چیزی است که در اتمسفربالایی گسترش می یابد، و از سرعت آن تا یک توقف کامل می کاهد.

اگر چه، بعضی از جت ها در فضا، برای نمونه جتی با طول ۴۰۰۰ سال نوری از یک کهکشان بیضوی M87، برای مسافتی بسیار زیاد، قبل از از هم پاشیدگی و تبدیل به گرد وغبار در حالت جت باقی می مانند. این ممکن است اشاره داشته باشد به این که جت ها ممکن است یک جت سیال نباشند، بلکه رشته های الکتریکی باشند.

یک مقاله ی مهم تحت عنوان “اندازه ی جریان در یک جت درجه Kpc” که در سال ۲۰۱۱ در arXiv به وسیله ی  Kronberg, Lovelace, et al،بر اساس تحقیقات آن ها بر روی یک جت، که از کهکشان رادیویی ۳C303 ناشی می شده، انتشار یافته است.

اگر ما فرض کنیم آنها رشته های الکتریکی هستند، آنگاه نیاز داریم که بدانیم کدام نظریه و آزمایش ممکن است برای ما توضیح دهد چگونه رشته های الکتریکی در مسافتهای نجومی شکلشان را حفظ می کنند.

جت مربوط به کهکشان M87 . کهکشان به صورت گره ای/نقطه ای روشن ، چپ بالا، در نور مرئی(مایل به سرخی) ؛جت گسترش یاقته در پایین سمت راست،که اینجا در گستره UV  دیده میشود (سفید و آبی)/ اعتبار تصویر: ناسا/هابل

۶٫۷ پینچهای جریان

هر جریان I که در یک رسانا یا رشته جریان دارد باعث به وجود آمدن یک میدان مغناطیسی B در اطرافش خواهد شد. خطوط میدان مغناطیسی به صورت حلقه هایی به دور محور جریان تشکیل خواهند شد و نیروی مغناطیسی با فاصله ی شعاعی از محور جریان کاهش پیدا خواهد کرد.

با توجه به نیروی لورنتس، می توان نشان داد که برهم کنش جریان I با میدان مغناطیسی اش B باعث ایجاد یک فشار شعاعی درونی روی رشته های جریان می شود، که به صورت I × B  نوشته می شود(ضرب برداری می باشد). به این “پینچ” یا “Z-پینچ” گفته می شود( این درحالی است که جهت جریان موازی با محور Z محورهای مختصات تعریف می شود).

در یک رسانای فلزی، توسط شبکه یونی اتمی در برابر فشار I × B  مقاومت می کند. در یک جریان پلاسما، فشار می تواند به وسیله ی فشار پلاسمای داخل رشته ها به تعادل برسد. این تعادل به یک حالت پایا نتیجه می شود، که در آن جریان می تواند در طول محور سمتی ، یا دایره های میدان مغناطیسی خودش ، حرکت کند. معادله ی تعادل به عنوان معادله ی پینچ بِنِت شناخته می شود.(Bennet Pinch Equation)

شواهد تجربی در آرمایشگاه نشان دهنده ی این مسئله است که می توان از پدیده ی پینچ برای خرد کردن قوطی های آلومینیومی از طریق اعمال خیلی سریع یک میدان مغناطیسی قوی استفاده کرد. قوطی قبل از اینکه فشار داخل آن در مقابل نیروی پینچ به قدر کافی مقاومت کند، خرد می شود. نیروهای میدان مغناطیسی در رعد و برق می تواند یک پینچ داخلی درست کنند که یک میله ی جامد مسی روی زمین را خرد می کند.

چپ: میدان تولید شده توسط یک دشارژ سریع به اندازه ی kj2 از طریق سه دور سیم باردار که این قوطی را خرد کرده است.

راست:طبیعت Z-pinch رعد و برق این میله ی فلزی را تغییر شکل داده است.

۶٫۸ جریان های هم راستای میدان

در فضا، فشار گاز خنثی همیشه ناچیز و جزئی است، بنابراین تعادل بین نیروی (I x B) و نیروی فشار نمی تواند اتفاق بیفتد. تنها راهی که این وضعیت را می تواند برطرف کند این است که نیروی (I x B) را ناپدید کند. که صفر شدن این نیرو دلیلی بر موازی بودن I وB (جهت جریان و جهت میدان مغناطیسی) دارد، که توسط جبر برداری حاصل ضرب خارجی دو بردار موازی صفر است.

اگر میدان های مغناطیسی دیگری موجود باشد، که می دانیم در اکثر فضای کیهانی حضور دارند، نیروی (I x B) را باید با استفاده از میدان مغناطیسی معادل (کلی) محاسبه کنیم، که به معنی جمع کردن میدان مغناطیسی خود جریان B، با میدان های کلی B، با قوانین جبری است.

به این ترتیب در پلاسمای کیهانی ، جریان I و میدان مغناطیسی کلی  Bطوری قرار می گیرند که به شکل موازی و هم تراز باشند. به عبارت دیگر، جریان از میدان مغناطیسی پیروی می کند: این یک جریان همراستای میدان می باشد.

حتی اگر میدان مغناطیسی خارجی وجود نداشته باشد، هریک از عناصر کوچک جریان سیال در یک پلاسما تمایل به انباشتن به طور طبیعی به جریان های بزرگتر یا وسیع تر دارند که میدان مغناطیسی خودشان را تولید می کنند، بنابراین رشته جریان را حفظ می کنند.

اتفاقی که می افتد این است که الکترون های نزدیک به محور مرکزی رشته جریان در مسیری تقریبا مستقیم حرکت می کنند و یک میدان مغناطیسی سمتی در اطراف آنها تولید می شود. الکترون های دور تر از محور مرکزی جریان تحت تاثیر این موئلفه های سمتی میدان مغناطیسی قرار می گیرند و حرکتی در مسیر مارپیچی به دور جهت اصلی جریان خواهند داشت. این حرکت مارپیچی خطوط میدان مغناطیسی مستقیم تری در نزدیک محور تولید می کند، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. در نزدیک مرکز رشته ، خطوط میدان مغناطیسی و مسیر الکترون ها مستقیم تر می باشد.

 جریان های الکترون در یک جریان همراستای میدان مغناطیسی در فواصل مختلف از مرکز رشته ی جریان.

Wiki commons منبع عکس

بنابراین ،هر الکترون به تنهایی در داخل جریان درامتداد جهت میدان مغناطیسی در محدوده خودش حرکت می کند اما مجموعاً، حتی بدون یک میدان مغناطیسی خارجی، رشته حفظ شده است. به این معنی که جریان های خیلی بزرگ می توانند از جریان عناصر کوچک جمع آوری شوند و در طول فواصل بزرگ انتقال یابند.

یکی دیگر از راه های نگاه به این موضوع در نظر گرفتن مقاومت الکتریکی پلاسما است. به دلیل وجود جمله (U × B) در قانون نیروی لورنتس، جریانی که در جهت عرضی و داخلی میدان مغناطیسی حرکت می کند، مقاومت بیشتری احساس می کند تا جریانی که هم جهت و موازی میدان مغناطیسی حرکت می کند. به طور موثر، مقاومت موازی کمتر از مقاومت عمودی است ، بنابراین تمایل جریان در همترازی با میدان میغناطیسی است.

۶٫۹ خود پیچیدگی جریان ها

تجزیه و تحلیل دقیق ریاضی نشان می دهد که I و B به صورتی برهمکنش دارند که هر دو به صورت مارپیچی موازی با هم در اطراف یک محور هم راستا با میدان خارجی B قرار بگیرند. اثر خالص I و B این است که هر دو ی آن ها در یک مسیر مارپیچی همراستا با جهت میدان خارجی B حرکت کنند.

همچنین می توان دریافت که تعامل محوری و سمتی(حلقه) مولفه های مارپیچی I و B باعث می شود که I و B  هر دو تا حد زیادی به یک استوانه با شعاع معلوم حول محور آن، محدود شوند.

به طور خلاصه، عدم وجود فشار کافی در پلاسمای کیهانی باعث می شود که جریان در رشته های استوانه ای همراستا با جهت میدان مغناطیسی اصلی جریان یابند. در رشته ی استوانه ای، جریان و میدان مغناطیسی ضمن این که به صورت موازی نسبت به هم با قی می مانند، در اطراف محور استوانه به صورت مارپیچی نیز حرکت می کنند.

توجه داشته با شید که اگر به هر دلیلی همراستایی موازی I با B کلی، مختل شود، بسته به اینکه کدام یک از دو مولفه محوری تر است، یک نیروی  I × B  باعث فشرده سازی یا گسترش شعاعی می شود. به این ترتیب تنگش یک رشته به دلیل تغییرات در میدان هایی که رشته های جریان در آن جریان داشته اند ممکن است رخ دهد.

۶٫۱۰ پایداری رشته های جریان

یک فاکتور مهم دیگر از تجزیه و تحلیل ریاضیاتی بدست می آید. آرایش بدون نیرو یا همراستای میدان یک حالت کمینه ی انرژی برای جریان ها است. این به این معنی است که آرایش میدان همراستا ذاتا با ثبات است و جریان تمایل دارد همراستای میدان مغناطیسی باقی بماند، مگر اینکه توسط عوامل خارجی مختل شود.

هم اکنون ما می توانیم ببینیم که چطور جریان های همراستای میدان می توانند در فاصله های زیاد باقی بمانند. جریان های همراستای میدان می توانند توضیح بسیار بهتری برای جت های موازی(موازی جریان) باشند که برای صدها یا هزاران سال نوری امتداد دارند تا مدل گرانشی که بر اساس جریان سیالات متداول بیان می شود. رصد خانه ی رادیویی بریتانیا در جوردل بانک، طیف گسترده ای از تصاویر جت های کهکشانی که در طول موج رادیویی قابل مشاهده هستند را جمع آوری کرده است، در اطلس خود از DRAGN ها (منابع رادیویی دوتایی همراه با هسته ی کهکشانی) تصویری مانند تصویر زیر، یک جفت جت معمولی را نشان می دهد:

تصویر رادیویی مشروح، در رنگ کاذب، از یک کهکشان رادیویی و جت های قطبی آن است. تصویر از : Jodrell Bank, UK, An Atlas of DRAGNs

محدود شدن جریان های رشته ای همراستای میدان به استوانه های با شعاع معلوم از جریان توسط نیروهای الکترومغناطیسی، همچنین با مشخصه ی کاهش و افت منحنی J-V مشاهده شده در آزمایش های آزمایشگاهی در لوله های تخلیه ی الکتریکی سازگار می باشد. اگر پلاسما در حالت تابش باشد، که در پلاسمای کیهانی ممکن است به معنی تابش خارج از محدوده ی مریی باشد، سپس شعاع استوانه ی جریان به وسیله ی ترکیب اثرات میدان های مغناطیسی و الکتریکی و شکل منحنی چگالی جریان-ولتاژ تعیین می شود. در مورد روند رشته ای در Z-pinch های چگال کیهانی در این مقاله که توسط فیزیکدانان روسی A.B Kukushkin و V.A. Rantsev-Kartinov از موسسه Kurchatov ، مسکو نوشته شده است ، بیشتر بخوانید.

۶٫۱۱ تراکم ماده:

اثری دیگر از نیروی  I × B می تواند با تحلیل مشخص شود. فرض کنید جریان I بوسیله میدان الکتریکی E تولید شده باشد. حال در نظر داشته باشید که نیرویی از برهمکنش بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی (B , E) بوجود می آید. به یاد داشته باشید که جریان I تمایل دارد بخاطر نیروهای موجود بر روی جریان، با میدان مغناطیسی کل هم جهت شود. اگرچه میدان الکتریکی که علت شکل گیری جریان است کاملا با میدان B کلی، همراستا نمی شود، چرا که B  کلی ، تشکیل شده از جمع برداری میدان مغناطیسی خارجی که جریان در داخل آن حرکت می کند، بعلاوه ی میدان مغناطیسی سمتی که از خود جریان ناشی می شود.

همراه با نیروی  I × B، نیروی  E × B هم وجود دارد، هرگاه که E با B موازی نباشد. نیروی E × B بر ذرات باردار در جریان استوانه ای اثر می کند و باعث حرکت یون ها و الکترون ها به سمت مرکز رشته های پلاسما می شود. پلاسما ها معمولا حاوی درصد زیادی ذرات ریز باردار هستند که می توانند به داخل رشته ها کشیده شوند. گرانروی و چسبندگی بین ذرات باردار و اتم های خنثی تمایل دارد اتم های خنثی را نیز به سمت رشته های پلاسما بکشاند.

بنابراین، رشته های جریان در فضا تمایل به تلفیق ماده خواهند داشت که به عنوان نتیجه هم سو نشدن میدان الکتریکیِ باعث جریان ، و میدان مغناطیسی کل می باشد.

با به یاد داشتن اینکه پینچ ها از کوچکترین ناهمجهتی بین جریان I و میدان B شکل می گیرند، هر ماده ای که به داخل رشته کشیده شود هم دچار فشردگی می شود، اگر ناهمجهتی بین جریان و میدان مغناطیسی کل ، رخ دهد. اگر نیروی پینچ به اندازه کافی بزرگ باشد، می تواند رشته را به پلاسمویدهای مجزای کره ای یا چنبره ای در راستای محور جریان تقسیم کند. هر ماده ای که در ناحیه نقطه بحرانی باشد، به همان شکل فشرده می شود.

به دلیل اینکه نیروهای الکترومکانیکی به شدت از گرانش قویتر هستند، این مکانیزم نشان روشی را نشان می دهد که بوسیله آن ماده ی پخش و رقیق می تواند به طور خیلی مفیدتری نسبت به متراکم سازی گرانشی ابرهای پراکنده از ذرات غبار، تلفیق و فشرده شود.

همچنین، وقتی که ماده به طور مفید فشرده شده و بوسیله تلفیق دوباره یون ها و الکترون ها خنثی شده باشد، نیروی الکترومغناطیس می تواند تا جایی کاهش بیابد، که اثر گرانش نسبت به آن بارزتر و بیشتر شده و تراکمی که با نیروی الکترومغناطیس شروع شده را ادامه دهد.

۶٫۱۲ انتقال گرما و همرفت Marklund

همانطور که مشاهده کردیم در حالتی که جریان استوانه ای باشد، E × B  یک نیروی شعاعی به سمت داخل است و باعث خود پیچش رشته جریان می شود. در نتیجه باعث افزایش چگالی ذرات در نزدیکی محور جریان می شود. دو اتفاق می تواند بیوفتد:

اول، این است که، خنک شدن مناطقی که چگالی بیشتری دارند به وسیله ی تابش، می تواند منجر به کاهش دما در نزدیکی مرکز شود، برخلاف افزایش دما که باعث کاهش چگالی می شود ،خنک شدن به طور مستقیم افزایش چگالی را باعث می شود.

دوم، بازترکیب شدن الکترون ها و یون ها شروع به رخ دادن می کند.

هر عنصر شیمیایی دارای یک سطح خاص انرژی می باشد، این انرژی به عنوان انرژی یونیزاسیون شناخته شده، که عنصر در آن یونیزه و یا بازترکیب می شود. این شبیه نقطه ی جوش یک مایع مانند آب است: در یک دمای خاص، فاز و یا حالت یک ماده از حالتی به حالت دیگر تغییر خواهد کرد.

اگر انرژی جنبشی حرکتی با انرژی یونیزاسیون برابر شود، سرعتی مشخصه ، که به عنوان سرعت یونیزاسیون بحرانی (CIV) شناخته شده است، می توان برای هریک از عناصر در نظر گرفت. به دلیل اینکه دما مقیاس اندازه گیری انرژی حرارتی است، CIV را می توان به دما مربوط کرد. عموما مقادیر CIV عناصری که در فضا یافت می شوند به طور تصادفی توزیع نشده است، بلکه در چهار نوار مجزا، اطراف مقادیر سرعت یونیزاسیون بحرانی معینی، گروه بندی شده اند. در هرگروه تمام عناصر دارای CIV های مشابه باهم اند.

در مجاورت یک جریان همسوی با میدان، نیروی E × B موجب رانش شعاعی یون ها و الکترون ها به سمت محور مرکزی مناطق سردتر می شود. به دلیل CIV های متفاوت آن ها، یون های مختلف در شعاع های مختلف در حالیکه به سمت مرکز حرکت می کنند و به تدریج وارد مناطق سردتر می شوند،بازترکیب خواهند شد.

این فرآیند که به عنوان انتقال گرمای مارکلاند شناخته شده، به افتخار گوران مارکلاند، فیزیکدان سوئدی، که کاشف این فرایند است، مارکلاند نامگذاری شده است.

انتقال گرمای مارکلاند و مرتب سازی در یک جریان مغناطیسی باریک شده

نتیجه ی اساسی این است که، انتقال گرمای مارکلاند، تمامی عناصر حاضر در مکان را بر اساس پتانسیل یونیزاسیونشان در گروه های مختلف طبقه بندی می کند. گروه هایی ازعناصر، در پوسته های استوانه ای شکل با شعاع های متفاوت، در یک جریان هم تراز میدان استوانه ای مرتب شده اند.

از آنجایی که هیدروژن به نسبت عناصر دیگر دارای بالاترین CIV می باشد، اول از همه، دریک پوسته ی استوانه ای که شعاع آن از پوسته های عناصر دیگر بزرگتر است، بازترکیب می شود.

این نوع از دسته بندیهای الکتریکی ممکن است مسئول توزیع غیرتصادفی برخی از عناصری باشد که ما در جهان هستی مشاهده می کنیم. مخصوصا، ممکن است فزونی هیدروژن خنثی را در ساختار های ریسمان مانند، که در سراسر کهکشان توسط تلسکوپ های رادیویی مشخص شده است را توضیح دهد.

آیا این عکس سحابی عقاب که توسط تلسکوپ فضایی هابل گرفته شده است می تواند تصویری از موقعیت باریک شده ی مغناطیس کیهانی و حاصل یک پلاسمای غباری (گردو خاکی) که توسط محیط هیدروژن- هلیوم احاطه شده است، باشد؟

پایان فصل ششم

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/12/06/essential-guide-to-the-eu-chapter-6/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

رنگ سرخ شفق زحل ویژگی پلاسما هیدروژن یونیزه شده می باشد .  که در زحل به وسیله ی تعادل رشته های بیرکلند و جریان ذرات باردار بین سیاره ای و تعاملات بادهای خورشیدی با میدان مغناطیسی این سیاره و نواحی قطبهای آن ساخته شده است.لایه های دوگانه با جریانهای رشته ای و جریانهای سطحی همراه میشوند و میدان مغناطیسی آنها به یونها و الکترونها شتاب می دهد. اعتبار تصویر: ویکی پدیا J.Trauger (JPL),  ناسا، تلسکوپ فضایی هابل

۱٫۵- پتانسیل و دمای پلاسما

مشاهده کردیم که دما معیاری برای اندازه گیری انرژی حرارتی ذرات یک ماده است .به طور خاصتر دما معیار اندازه گیری انرژی جنبشی درحرکات حرارتی تصادفی ذرات است.

یک الکترون (به طور تقریبی)فقط  ۱۸۴۰/۱از جرم یک پروتون جرم دارد، ،پس الکترونها سرعتهای خیلی بیشتری نسبت به یونها در دمای یکسان خواهند داشت. زیرا انرژی جنبشی با جرم ذره و مجذور سرعت آن متناسب است.  K.E. = 1/2 mv²از این رو نسبت سرعت با معکوس جذر جرم ذرات، در دمای یکسان، متناسب خواهد بود.

برای مثال، سرعت متوسط الکترون در حدود ۴۳ بار ((i.e., √۱۸۴۰ بیشتر از سرعت یک پروتون است. اگر یونهای مثبت در پلاسما از یک پروتون تک سنگینتر باشند، بر همین اساس تفاوت سرعتهایشان بیشتر خواهد شد.

به علاوه، بر طبق اصل پایستگی اندازه حرکت، الکترون تمایل دارد که در انرژی جنبشی خود نسبت به یونی که در برخورد بین دو ذره تغییر انرژی دارد، متحمل تغییر بزرگتری شود.

نتیجه سرعت بالاتر الکترونها در برهم کنشهای سریع، به معنی این است که الکترونها در بین خودشان خیلی سریعتر از یونها به تعادل ترمودینامیکی (در دمای یکسان) می رسند. هر افزایشی در انرژی جنبشی، چه از طریق برخورد یا دریافت انرژی خارجی، خیلی به سرعت بین الکترونها تقسیم می شود.

با توجه به این علل، تفاوت دمای الکترون با دمای یون عادی است. اغلب دمای الکترون نسبت به یون یا دمای محیط، بیشتر خواهد بود. این خصوصا در پلاسماهای یونیزه شده ضعیف جایی که یونها بیشتر نزدیک دمای محیط اند معمول است، در صورتی که الکترونهایی که با سرعت بیشتری حرکت میکنند، دمای بیشتری دارند.

در پلاسما دما اغلب به عنوان پتانسیل حرارتی بیان می شود که با افت پتانسیل (تغییر در ولتاژ) معادل است که میان ذرات باید سقوط کند تا همان مقدار انرژی را بدست بیاورد پس از آن انرژی جنبشی میتواند با الکترون ولت eV نمایش داده شود.

هر چه پلاسما داغتر باشد، الکترونها و یونها با سرعت بیشتری در حرکت حرارتی تصادفی حرکت می کنند و همچنین پتانسیل بالاتری دارند. پتانسیل یک الکترون ولت معادل دمای ۱۱۶۰۶٫۵ کلوین است. ذرات با قدر و اندازه ی بالاتری از پتانسیل در فضا هستند.

سرعت بالای الکترونها به ویژه در فهم جنبه های زیادی از رفتار پلاسما، شامل کهکشانهای رادیویی، جتهای ستاره وار و عظیم کهکشانی، و تولید تابش سینکروتون و اشعه های کیهانی مهم است.

۲٫۵- گسترش سطح غلافها

اگر لوله ی آزمایشگاه یا لوله ای دیگر محتوی پلاسما باشد، الکترونها و یونهایش با دیواره های لوله با فرکانسی متناسب با سرعتشان برخورد خواهند کرد و در برخورد، ذرات جذب دیواره ها می‌شوند.

الکترونها سرعت بیشتری نسبت به یونها دارند، تعداد برخورد الکترونها نیز نسبت به تعداد برخورد یونها بیشتر خواهد بود. در نتیجه دیواره لوله بار منفی خواهد گرفت.

هر بار که بار منفی روی سطح زیاد میشود، الکترونهای وارد شده تمایل دارند که از طرف سطح دفع شوند. فقط آن الکترونهایی که سرعت مناسبی برای غلبه بر دافعه ی اعمال شده از طرف سطح را داشته باشندمی توانند با سطح برخورد داشته باشند. بار منفی سطح تا زمانی افزایش پیدا خواهد کرد که تعداد الکترونهای ضربه زننده به سطح با تعداد یونهای مثبت وارد شده یکی شود. پلاسما و سطح به تعادل یا حالت پایدار و یکنواخت خواهند رسید.

در حالت تعادل، فقط پر سرعتترین الکترونها میتوانند از میان شیب منفی پتانسیل ( منفی گرادیان پتانسیل) از سطح بگذرند. بیشتر الکترونها از نزدیک شدن به سطح بازداشته خواهند شد. این نتایج در لایه پلاسما نزدیک سطح در جایی که تعداد یونها بیشتر از الکترونهاست بدست میاید. این لایه های مثبت به اسم “غلاف دبای” شناخته شده اند.

اثر مشابه در سطحی که با اتصال به منبع پتانسیل (مثل باتری) باردار شده است، دیده میشود.بارهای سطحی بارهای مشابه را دفع میکنند در پلاسما، و آنها را به سمت یک پوشش با بار متضاد، به عقب میرانند.

۵٫۳- وسعت یک غلاف

سطح غلاف، مرز فیزیکی قطعی و روشنی ندارد ولی می تواند انتهای جایی که  پتانسیل منفی سطح و مثبت غلاف بر هم اثر می کنند فرض شود، که پتانسیل خود پلاسما به تعادل برسد. به عبارت دیگر، مرز غلاف جایی است که پتانسیل فقط به قدر مناسب برای مقابله ی الکترونها با انرژی معادل پتانسیل پلاسما ست.

برای مثال اگر پتانسیل پلاسما ۱V+ باشد، پس مرز اسمی پتانسیل -۱ V  خواهد داشت. توضیحات به این شرح است : مرز ، پتانسیل منفی دارد چون غلاف باید الکترونها ی برخوردکننده را دفع کند. الکترونها در پلاسما انرژی جنبشی ۱eV دارند. بنابراین، غلاف برای جلوگیری از رسیدن الکترونهای برخوردکننده به سطح، پتانسیل -۱V لازم دارد.

این درست مثل غلتاندن یک توپ به بالای یک تپه است. اگر توپ انرژی جنبشی کافی داشته باشد، به قله خواهد رسید و اگر نداشته باشد، توپ قسمتی از مسیر را خواهد پیمود و بعد از یک توقف دوباره به سمت پایین میغلتد. پتانسیل غلاف نظیر ارتفاع تپه است.

دیده میشود که غلاف لبه‌ی “سخت و محکمی” ندارد و در حقیقت میدان پتانسیل از سطح منفی به وجود میاید و تا بعد از مرز غلاف ادامه دارد. با این حال، ممکن است مرز به عنوان نقطه ای که در آن قسمت سطح منفی به طور موثر به وسیله غلاف خنثی شده باشد، در نظر گرفته شود چون الکترونها با پتانسیل پلاسما در همان نقطه در پلاسما “منعکس” میشوند.

شیمیدان آمریکایی دارنده جایزه نوبل، ایروینگ لانگمویر، متدهای اندازه گیری و مشاهدات در مورد فعالیتهای پلاسما را گسترش داد.

۴٫۵- اجسام باردار در پلاسما

غلافهای مشابه در اطراف هر جسم باردار در پلاسما ، جایی که پتانسیل جسم با خود پلاسما متفاوت است، شکل میگیرند . پلاسما از طریق تشکیل یک پوشش دور جسم خارجی، آنرا ایزوله میکند. همان طور که یک غلاف تمایل برای منزوی کردن سطح با بار منفی دارد، تمایل خواهد داشت که سدی برای میدان الکترواستاتیک در برابر بارهای بیگانه و خارجی نیزایجاد کند. سرانجام جسم باردار با جذب بار نا هم نام خنثی خواهد شد.

اگر به جسم باردار به طور مصنوعی بار مثبت یا منفی از یک منبع خارجی مثل باتری، بسته به نوع بار، یون یا الکترون داده شود، جذب جسم خواهد شد و جریان عبور خواهد کرد. با محاسبه دقیق محدوده ولتاژ جریان، اندازه گیری پتانسیل پلاسما نیزبه خودی خود ممکن می شود. یک دستگاه مانند کاوشگر لانگمویر را که به نام خود ایروینگ لانگمویر (۱۸۸۱-۱۹۵۷) نام گذاری کردند.

جریان از بادهای خورشیدی میتواند در سیارات با میدان مغناطیسی دیده شود که دارای “قله” قطبی یا “حفره” اند که ذرات بارداررا به سمت پایین و وسط جسم هدایت می کند، شفق های قطبی و نور قرمز تولید شده در اتمسفر فوقانی اینگونه تولید میشود.

در این عکس ناسا که با نور فرابنفش گرفته شده، در یک زمان نیم ساعته، سپری شدن سیر تکاملی شفق بیضی گون، دیده میشود. (رنگ غیر واقعی)

در مقیاس کوچکتر، تعدادی از قمرهای سیاره ای در مدار انباشته از پلاسما ، با ذرات بارداری که از نواحی قطبی قمرها در امتداد خطوط میدان مغناطیسی و از “نقاط داغ” که در بیضی شفق سیارات بزرگتر میباشد، گردش می کنند. مثل گانیمید ، اروپا (یکی از اقمار مشتری) Io در مشتری، انسلادوس در زحل و احتمالا اورانوس و نپتون نیزازین دست اقمار هستند.

میدان Io مشتری با جریان قطبی یا “لوله های فلوی مغناطیسی” همراستاست

زحل و اتصال قطب الکتریکی قطب آن به انسلادوس. اندازه گیری سطح مقطع جریان

۵٫۵- تشکیل سلول در پلاسما

اثر مشابهی نیز بین دو ناحیه ی نزدیک پلاسما با خصوصیات متفاوت اتفاق می افتد. مثلا دو ناحیه ممکن است دما، چگالی، یا درجه یونیزاسیون متفاوتی داشته باشند. در این حالت، توزیع سرعت های مختلف در این دو منطقه غلاف دوگانه ای در مرز تشکیل خواهد داد که به موجب آن هر ناحیه خودش را از دیگری جدا می کند.

غلاف دوگانه شامل لایه های نازک نزدیک به هم با بار مثبت و منفی است که به وسیله فاصله نسبتا کمی از هم جدا شده اند. این یک نوعی از لایه های دوگانه است. چون هیچ جریان خارجی در گیر نیست، غلافها بین ناحیه های مختلف پلاسما به اسم لایه های دوگانه بدون جریان (CFDL) شناخته شده شده اند. لایه های دوگانه و غلافها پدیده های مشهوری در دینامیک پلاسما اند که در کتابهای درسی شرح داده شده و بهترین توصیف آن در ویکی پدیا، بررسی معادله Vlasov-Poisson است:

“در کل توزیع پلاسما در نزدیکی لایه های دوگانه لزوما غیر ماکسولی هستند. از این رو غیر قابل دسترس به مدل های سیال اند. برای تحلیل کردن کلیت لایه های دوگانه، پلاسما باید با استفاده از تابع توزیع ذرات که تعداد ذرات نوع α که سرعتی در حدود v دارند و در نزدیکی مکان x و زمان t واقع اند را توضیح می دهد، توصیف شود.”

“ توزیع ماکسول-بولتزمن، از ویکی پدیا: توزیع ماکسول-بولتزمن برای گازهای ایده ال نزدیک به تعادل ترمودینامیکی با اثر کوانتومی ناچیز و سرعت های غیر نسبیتی اعمال میشود.این توزیع، تئوری جنبشی گازها را شکل میدهد که خیلی از خواص بنیادی گازها، شامل فشار و پراکندگی را توضیح می دهد.”

اهمیت مرجع فوق به این دلیل است که معادلات قراردادی هیدرودینامیک و مغناطیسی (MHD) جریان سیال برای توصیف ریاضی دقیق و کامل و منطقی از دینامیک پلاسما کافی نست. در نتیجه متدهای محاسباتی به نام ذرات در سلول (PIC) شبیه سازی شده، برای مدل سازی پلاسما در سیستم های عظیم کامپیوتری موازی (رایانش موازی) در سال ۱۹۸۰، توسه یافت.

۶٫۵- شکل گیری لایه های دوگانه ی بدون جریان (CFDL  )

دیدیم که CFDL  ها بین ناحیه های پلاسما با مشخصه های گوناگون شکل میگیرند. به عنوان مثال، اثر تفاوت دما را در نظر میگیریم (در الکترون ولت- رجوع شود به قسمت ۱٫۵)

این باعث ایجاد شدن یک میدان الکتریکی می شود، که به الکترون ها در جهت برگشت به منطقه ی گرمتر شتاب خواهد داد. یک جریان خالص از الکترون ها به سمت منطقه ی سرد تا ساخته شدن میدان الکتریکی ادامه خواهد داشت، تا بین تعداد الکترون های منطقه گرمتر که به سمت منطقه سردتر حرکت می کنند و تعداد الکترون هایی که به وسیله ی میدان الکتریکی در جهت برگشت به ناحیه ی گرم شتابدار شده اند تعادل برقرار شود.

نواحی نازک نزدیک مرز، شامل یون ها یا الکترون های اضافی، یک لایه ی دوگانه در مرز تشکیل می دهند ،که دارای یک میدان الکتریکی و افت پتانیسل پیوسته بر روی آن است.

تشکیل غلاف ها در مرزها بین مناطق مختلف پلاسما سلول هایی از پلاسما درست می کند. این عمل تشکیل سلول (cellularization) تعریف مشخصه ای از رفتار پلاسما ست یکی از دلایلی که نمی توان قانون گازها را برای پلاسما به کار برد، این است که؛ گازها به این شکل رفتار نمیکنند.

عکس لایه های دوگانه از “مروری بر لایه های دوگانه ” موسسه رویال سوئد Lars P. Block استکهلم، فیزیک نجومی و علوم فضایی، جولای ۱۹۷۷

“در فیزیک لایه های دوگانه ی نسبیتی”، گروه فیزیک پلاسما، موسسه رویال فناوری، استکهلم، فیزیک نجومی و علوم فضایی، ۱۹۸۲٫

۵٫۷- شباهت به مکانیک سیالات

در نگاه اول، لایه های دوگانه (DL ) چیزی شبیه موج ضربه ای در دینامیک سیالات ( یا همان هیدرودینامیک ) به نظر می رسند. در حقیقت یک لایه ی دوگانه ویژگی های مشترکی بایک موج ضربه ای دارد، که در آن، نواحی با مشخصه های مختلف از هم  جدا شده اند و در راستای شتاب دادن به محیط عمل میکنند.

هر چند در مورد DL  ها شتاب در نتیجه ی میدان الکتریکی قوی که بین دو لایه با بارهای متضاد وجود دارد، ایجاد می شود. چون نیروی میدان الکتریکی به بار ذرات بستگی دارد، یون ها و الکترون ها در مسیر های معکوس شتاب می گیرند. ذرات خنثی به هیچ وجه به وسیله ی میدان الکتریکی شتاب دار نمی شوند ولی ممکن است از طریق اثرات چسبناک و یا اثرات دیگر آهسته به دنبال ذرات دیگر کشیده شوند.

توجه کنید که تشکیل لایه های دوگانه نمی تواند به طور موثر به وسیله ی تجزیه سیال، مثل تولید الکتریسیته به وسیله ی حرکت سیالات در میدان مغناطیسی(MHD) شکل بگیرد، زیرا این وابسته و ناشی از حرکات جداگانه ی ذرات است، و ناشی از حرکت بخش عمده ای از پلاسما نیست.

همانطور که خواهیم دید، لایه های دوتایی یکی از مهمترین ویژگی های خودسازماندهی پلاسما ی کیهانی است.

تصویر اقتباس شده از منابع فوق برای نشان دادن روابط شارژ و پتانسیل میدان الکتریکی در یک  DL، J. Johnson ، ۲۰۱۱٫

مقدمه ی کلی در مورد فیزیک پلاسما در ویکی پدیا شامل خواص، پدیده ها و مدل های ریاضی می باشد. مقالات ویکی پدیا اغلب مقالات خوبی هستند ولی مثل تمام چیز های دیگر می تواند گاهی غیر فابل اعتماد یا نا کامل و یا ویرایش شده با اهداف سود دار باشند. پس همیشه با احتیاط و توجه مقالات ویکی پدیا و منابع دیگر را ارزیابی کنید.

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/12/03/essential-guide-to-the-eu-chapter-5/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

لینک برای مطالعه بیش تر:

http://pespmc1.vub.ac.be/FEEDBACK.html

ما در فضایی پر از تابشهای الکترومغناطیسی مانند امواج رادیویی و تابش نور آفتاب غرق شده ایم. تمام این تابشها از بارهای شتاب دار می آیند. برای مثال امواج رادیویی از حرکت بارها به بالا و پایین در یک سیم قائم منتشر میشوند.
این پدیده در فیزیک ذرات مطرح است که در آن ذرات شتابدار هدف قرار می گیرد.
الکترونهای پر رنگ شده (قرمز)- که بخاطر حرکت در یک مسیر منحنی شتابدارند- فوتونی منتشر کردند که مسیر کوتاهی را قبل از تبدیل شدن به یک جفت پوزیترون-الکترون در میدان الکتریکی یک هسته طی کرده است. الکترونی که فوتون منتشر میکند، به صورت مارپیچ حرکت میکند و انرژی از دست میدهد. پوزیترونها به علت حرکت مارپیچی که دارند در اتاقک حباب به سادگی تشخیص داده میشوند.
تصویر متعلق به آزمایشگاه سرن.

۴٫۲: معادلات ماکسول

مفاهیم و پژوهش های اساسی معادلات ماکسول به شرح زیر اند:
۱٫ میدان الکتریکی ساکن می تواند در غیاب میدان مغناطیسی وجود داشته باشد، برای مثال یک خازن و یا ذره‌ی گرد و غبار با بار ساکن Q یک میدان الکتریکی بدون وجود میدان مغناطیسی دارند.
۲٫ یک میدان مغناطیسی پایا (ثابت) می تواند در غیاب میدان الکتریکی وجود داشته باشد، مثلا یک رسانا با جریان ثابت I، یک میدان مغناطیسی بدون هیچگونه میدان الکتریکی دارد.
۳٫ جایی که میدان الکتریکی وابسته به زمان باشد، میبایست یک میدان مغناطیسی غیر صفر هم وجود داشته باشد.
۴٫ جایی که میدان مغناطیسی وابسته به زمان باشد، میبایست یک میدان الکتریکی غیر صفر هم وجود داشته باشد.
۵٫ میدانهای مغناطیسی به جز طریق القای دائمی مغناطیسی، فقط به ۲ روش می توانند تولید شوند: توسط یک جریان الکتریکی، یا بوسیله تغییر در میدان الکتریکی.
۶٫ تک قطبی های مغناطیسی نمی توانند وجود داشته باشند، تمام خطوط شار مغناطیسی حلقه هایی بسته هستند.

۴٫۳ : قانون نیروی لورنتس
قانون نیروی لورنتس بیانی برای نیروی کل بر یک ذره باردار در معرض میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. نیروی برایند می گوید که حرکت ذره باردار باید بر اساس مکانیک نیوتنی باشد. از آنجایی که معادله لورنتس به صورت پایه ای برای درک رفتار پلاسما نیاز است؛ ارزش دارد تا با مقداری وقت گذاشتن بفهمیم چه معنی و مفهومی دارد. معادله به صورت زیر می باشد:

F = Q(E + U × B)

(بردار ها پررنگ نشان داده شده اند و در زیر توضیح داده شده است.)
F  نیروی لورنتس بر روی ذرات است، Q  بار ذرات می باشد، E شدت میدان الکتریکی U سرعت ذره B چگالی شار مغناطیسی است، و “×” ضرب خارجی است.
برای اینکه بفهمیم معادله چه معنی دارد ابتدا باید در مورد بردارها بدانیم:
بردار کمیتی است که اندازه و جهت دارد. مانند: نیرو و سرعت. مانند یک فلش است: که طول و یک جهت اشاره نیز دارد. در عوض یک کمیت نرده ای فقط مقدار دارد. مانند: درجه ی تندی و دما..

جبر برداری قسمتی از ریاضیات است که به بردارها می پردازد. برای کسانی که مایل به دانستن جزئیات بیشتر از جبر برداری هستند به ضمیمه (۳) مراجعه کنند. توضیح Hyperphysics نیز یک مقدمه خوب است. ملزومات برای درک معادله لورنتس در اینجا توضیح داده خواهد شد. لینک کمکی:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/vect.html

اول، ضرب بردار با یک کمیت اسکالر مانند قرار دادن تعدادی فلش های مشابه پشت سر هم است. کمیت برداری اولین فلش است و کمیت اسکالر تعداد فلش های مشابه است. نتیجه، یک بردار بزرگتر در همان جهتِ کمیت ِبرداریِ اولیه است.

یک مثال ساده سه برابر شدن درجه ی تندی خودرویی است که مستقیم، در همان جهتِ قبلی حرکت می کند. تصور کنید که بردار سرعت ماشین، یک فلش با اشاره ی مستقیم به جلو و پایین جاده است و مبنا و نقطه شروع بردار همیشه در مرکز خودرو است. برای نشان دادن اینکه سرعت شروع ۲۰کیلومتر بر ساعت است ،تصور کنید این بردار ۲۰سانتی متر طول دارد. سپس شما گاز می دهید تا ماشین سرعت بیشتری بگیرد. هنگامی که ماشین سرعت می گیرد، طول فلش افزایش می یابد، این نشان میدهد که، همواره طول بردار و  سرعت ماشین متناظر یکدیگر می باشند. در ۶۰کیلومتر بر ساعت طول بردار۶۰سانتی متر می باشد و جهت آن هنوز با جاده موازی است. اگر شما ترمز کنید خودرو در جهت مخالف شتاب می کیرد با کم کردن سرعت، بردار کوتاه و کوتاه تر می شود. هنگامی که خودرو می ایستد، سرعت آن به صفر می رسد و طول بردار هم به صفر می رسد.

شما با خود می گویید: این موضوع به آسانی قابل درک است، اما چه اتفاقی می افتد اگر من فرمان را به چپ بچرخانم؟

این نوع از عمل معرف یک نیروی اضافی در خودرو در جهت متفاوتی از یک مکان موازی با مرکز خودرو است. این موضوع سرعت را افزایش و یا کاهش نمی دهد، (با صرف نظر از اصطکاک) اما گاهی به خاطر چرخش ماشین، سرعت راتغییر می دهد! بردار سرعتی که از چرخ با ۶۰کیلومتر بر ساعت می آید طول را تغییر نداده است، اما نیروی اضافه در یک جهت متفاوت بر آن اثر کرده است و در نتیجه بردار سرعت برایند دو بردار نیرو می شود. تا زمانی که شما فرمان را ثابت می گیرید همان نیرو اعمال می شود ولی زمانی که شما فرمان را می چرخانید، ماشین می خواهد در یک دایره با سرعت ثابت حرکت کند.

شما می توانید مشاهده کنید که دو نوع شتاب وجود دارد: تغییر در سرعت حرکت، هم آهسته شدن و هم کند شدن، که فقط یک تغییر عددی سرعت است، و تغییر در جهت حرکت – فقط یک تغییر زاویه ای در حرکت، بدون اشاره به اینکه  با چه سرعتی در مسیر حرکت می کند. هر دو نوع از تغییر، نتیجه ی تغییر نیروی اعمال شده بر جسم می باشند.

ضرب دو بردار در هم کمی پیچیده است. تصور کنید یک پیچ بزرگ در یک تخته چوبی قرار دارد، در اینجا شیار پیچ نشان دهنده بردار اول و بردار دوم بر روی تخته چوب فرض می شود. اگر پیچ ساعتگرد بچرخد شیار هم راستا با بردار دوم قرار گرفته و پبچ تحت یک زاویه نسبت به شیار و بردار دوم در داخل تخته می رود. مقدار حرکت پیچ به ابعاد آن و مقدار چرخشش بستگی دارد. جواب ضرب برداری کمی شبیه این قضیه است.
نتیجه ضرب دو بردار چیزی است که در شکل مشاهده می کنید. با در نظر داشتن مثال قبل جهت بردار جدید با استفاده از جهت پیچ تخیلی ما به دست می آید. و مقدار (طول) بردار جدید ما به زاویه و اندازه دو بردار قبلی بستگی دارد.

پس اگر بردار ها موازی باشند، هیچ حرکتی در پیچ به وجود نمیاد، ضرب برداری دو بردار موازی صفر می‌باشد.

در مختصات دکارتی اگر برداری در راستای محور x، در برداری در جهت محور y ضرب خارجی شود؛ نتیجه برداری در راستای محور z خواهد شد. اندازه بردار حاصله، ضرب سه گانه طولهای دو بردار اولیه و سینوس کوچکترین زاویه بین آنهاست. اگر دو بردار با هم موازی باشند هیچ نیرویی در جهت محور z نخواهیم داشت چون زاویه بین آنها صفر و (sin (0° نیز صفر میباشد.
این اثر بسیار شبیه به اثر ژیروسکوپی در اجسام صلب در حال چرخش است به این صورت که یک نیرو در یک جهت منتشر شده،و سپس در حرکت منجر به جهتی با زاویه ۹۰ درجه میشود. که به آن “انحراف از مسیر” گفته میشود.
اگر به قانون لورنتس برگردیم، می بینیم که نیروی کل از دو جز ساخته شده است. جز اول EQ است که از مقدار عددی بار ذرات ضربدر بردار شدت میدان الکتریکی تشکیل شده است. بزرگی نیرو که به علت میدان الکتریکی است حاصلضرب بار ذرات در شدت میدان الکتریکی می باشد.
لازم به ذکر است نیروی بوجود آمده توسط میدان الکتریکی ثابت و در جهت E است، پس با توجه به قانون حرکت نیوتون این نیرو باعث تولید شتاب ثابت در ذرات در جهت E خواهد شد، یک جهت برای بار مثبت و جهت مخالف آن برای بار منفی.

یکی از مثال های کاربردی برای آموزش الکترومغناطیس، اثری موسوم به ژیروسکوپی است، برای آشنایی بیش تر لینک زیر معرفی می شود:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/gyr.html

بخش دوم معادله لورنتس، یعنی (U × BQ) جالبتر است. در این قسمت دو بردار در هم ضرب خارجی  می شوند سپس حاصل در بار ذرات ضرب می شود. ابتدا فرض میکنیم که ذره در امتداد میدان حرکت نمیکند که در این حالت  میباستی نیرو صفرباشد، آنوقت نتیجه نیرویی خواهد بود که زاویه ی قائمه با هر دو جهت “حرکت ذره” و” میدان مغناطیسی”می سازد. قانون دست راست نیروی “پیشرویی” (هدایت کننده) را توضیح میدهد که یک میدان مغناطیسی در یک جهت مشخص روی یک ذره باردار اعمال می شود تا ذره وارد میدان شود.
نیرویی که به جهت حرکت عمود است، نیروی مرکزگرا می باشد. بنابراین میدان مغناطیسی باعث خواهد شد که ذرات باردار در یک مسیر دایره ای در صفحه ای عمود بر جهت میدان مغناطیسی حرکت کنند. همانطور که ذره در مسیر دایره ای میچرخد، مولفه ی سرعتش در هر نقطه، عمود بر میدان مغناطیسی خواهد بود، در نتیجه هنوز به ذره نیروی مرکزگرایی اعمال میشود که باعث حرکت آن در مسیر دایروی می شود. در این حالت جهت مسیر ذره به طور ثابت تغییر میکند، ولی اسکالر تندی آن (قسمت عددی سرعت m/s) در این شرایط تغییر نمیکند.
یک مثال ساده در نظر گرفتن این شرایط است؛ زمانی که ذره باردار متحرکی وارد یک میدان مغناطیسی (ثابت) شود چه اتفاقی میافتد. برای سهولت هر اثری که ممکن است ذره روی میدان مغناطیسی داشته باشد را حذف میکنیم. اگر ذره موازی با جهت میدان وارد میدان شود، هیچ نیرویی به آن وارد نمیشود و تغییری در مورد تندی ( اسکالر سرعت ) یا جهت نخواهیم داشت. اگر ذره عمود به جهت میدان وارد شود مسیرش به سادگی به منحنی دایروی منحرف میشود.
در قانون لورنتس بدون وجود یک میدان الکتریکی نیروی مرکزگرا به صورت (F = Q(U × B است. نیروی اعمال شده به ذرات باردار، مستقیما با Q (بار ذرات)، U (بردار سرعت)و B (بردار میدان مغناطیسی) تناسب دارد. معنیU × B به این صورت است U ضربدر B ضرب در سینوس کوچکترین زاویه بین این دو بردار، یعنی UB ضربدر سینوس زاویه بین دو بردار است، که از صفر تا یک متغیر است. فرض کنید بار ذرات و میدان مغناطیسی ثابت می مانند و همانطور که ذره وارد میدان می شود سرعتش از چپ به راست افزایش پیدا میکند. هرچه ذره با سرعت بیشتری حرکت کند، برآیند شعاع حرکت دایره ای نیز بزرگتر خواهد بود، زیرا شعاع r برای سنجش اندازه حرکت طولی mU میباشد که در آن m جرم ذره است:
(r = mU ÷ (|Q|B. زمانی که دو متغییر دیگر ثابت اند، اگر بار افزایش یابد، همین نتیجه را خواهیم داشت.

اگر ذره باردار بطور مورب وارد میدان مغناطیسی شود با مولفه ای از بردار حرکت خود در جهت میدان، در زاویه ای مثلا بین صفر تا ۹۰ درجه در جهت میدان و در موازات آن سوق می گیرد. هنگامی که نیروهای میدان به صورت حرکت دایره ای می باشد. مسیر آن به شکل مارپیچی درمی آید. که در این حالت شعاع r به عنوان شعاع لارمور یا شعاع سیکلوترون شناخته شده است. در سه مثال زیر زاویه ورود ذره و قدرت میدان مغناطیسی B ، با یک انحراف سمتی کوچک به سمت راست، بدون تغییر باقی می ماند. سرعت ورودی اولیه گام به گام از چپ به راست افزایش یافته است، تا نشان دهد، باری که سریعتر به میدان مغناطیسی وارد می شود، دارای شعاع انحنای بزرگتری است.

در سری تصویر های زیر بردار سبزی که به سمت میدان الکتریکی و مغناطیسی اشاره میکند، نشان دهنده ی جهتی است، که ذره باردار با بار مثبت ( به صورت پیش فرض ) به هنگام ورود به میدان شروع به حرکت در آن جهت میکند. ذره، به هنگام ورودش، میتواند به هر سمتی در راستای این بردار حرکت کند، پس، همانطور که خواهید دید، دو مسیر از لبه ی بردار سبز خواهیم داشت. اگر ذره دارای بار منفی باشد، در جهت مخالف حرکت خواهد کرد، و اگر سنگین تر باشد یا سریع تر حرکت کند، قطر شعاعی بیشتری نسبت به تصور ما خواهد داشت، به صورت مشابه، با فرض ثابت ماندن عوامل دیگر، اگر میدان مغناطیسی یا الکتریکی دچار تغییر شوند، رفتار ذره به صورت مشابه تغییر خواهد کرد. استوانه ی نارنجی باریک نشان دهنده چگونگی خط سیر ذره که ناشی از شرایط ورودش است، میباشد .

هنگامی که یک ذره باردار وارد یک میدان مغناطیسی یکنواخت B میشود، مسیر حرکتش به دایره ای با شعاع r که وابسته به ممنتوم خطی است منحرف میشود، جرم ضرب در سرعت ( mu ) ، سرعت ذره اما تغییر نخواهد کرد، پس انرژی جنبشی آن تغییر نخواهد کرد، پس میدان بر روی ذره اثر نخواهد کرد، این پدیده مشابه با اعمال نیروی مداوم شعاعی جاذبه بر روی یک ماهواره مداری در فضا میباشد، میدان مغناطیسی با بردار آبی نشان داده شده است و ورود ذره با یک بردار سبز نشان داده شده است .

همزمان با تغییر زاویه ورود ذره از عمودی به موازی در میدان مغناطیسی، خط سیر ذره به مارپیچی تغییر خواهد کرد. مارپیچ دچار کاهش شعاع لارمور به صورت همزمان شده و منجر به کاهش زاویه ۹۰ درجه به زاویه میدان مغناطیسی و نزدیک شدن به زاویه صفر درجه یا موازی با میدان خواهد شد. به تغییر زاویه بردار ورودی سبز، از چپ به راست، و همینطور کشش مارپیچ دقت کنید.
عکس از طریق محاسبات ریاضی به دست آمده است.

نیروی برایند شامل مجموع نیروی میدان الکتریکی و مغناطیسی که وابسته به زاویه بین این دو میدان است میباشد ( تصویر زیر) .

اگر میدان مغناطیسی و الکتریکی با هم موازی باشند ( همانطور که بعد ها فرض خواهیم کرد) ، آنگاه ذره ی بارداری که به صورت شعاعی در حال نزدیک شدن، به جهت محوری میدان است،به حرکت به صورت مارپیچی در راستای جهت میدان وادار می شود. و همینطور ذره حرکت داده خواهد شد و شتاب میگیرد ( به صورت دائمی جهت خودش را به صورت مارپیچی به دور محور میدان مغناطیسی عوض میکند) و بر طبق قانون لورنتس، همین طور به صورت همزمان سرعتش در جهت میدان الکتریکی عوض خواهد شد . این باعث تغییر های پی در پی بیشتر و بیشتر مولفه ی سرعت ذره در میدان الکتریکی در گذر زمان است .

http://en.wikipedia.org/wiki/Gyroradius
در این وضعیت (میدان تراز( E) و B) ) موازی هستند) مسیر ذرات مرکزگرا دایره ای است، نیروی مغناطیسی در همان زمان که بردار نیروی میدان الکتریکی (قرمز) به صورت محوری شتاب می گیرد. با گذشت زمان ذرات تقریبا موازی با میدان ها حرکت می کند.

میدان الکتریکی اگرچه همچنان ذره را در خطوط میدان شتاب میدهد. باتوجه به بار ، اگر ذره در جهت نیروی شتابدهنده وارد میدان بشود، سرعت آن افزایش می یابد. اگر جهت وروزد ذره ی باردار برخلاف جهت نیروی شتابدهنده باشد،شاید متوقف شود، و یا حتی در جهت مخالف شتاب بگیرد. به یاد بیاورید که جهت میدان الکتریکی در حقیقت،جهت نیروی واردشده بر ذره با بار مثبت، است.

اگر میدان ها در یک خط نباشند، مجموعه مسیرهای مختلفی در حالت وابسته به هر بار خاص، شدت میدان، جهت و اختلاف زاویه بین میدان مغناطیسی و الکتریکی می توانند رخ دهند.

با حضور دائمی میدان الکتریکی، ذرات متمایل به حرکت شتاب دار می شوند، که همیشه بیشتر نزدیک به هم ردیف شدن با خطوط میدان، و افزایش سرعت خواهد بود.

هر چند این مسیرها ممکن است پیچیده به نظر برسند، اما در یک زمان آنها فقط یک ذره باردار را شامل می شوند که میدان الکتریکی و مغناطیسی ثابت و سرعت ورودی یکسان دارد. در عمل، بسیاری از ذرات باردار، با قطبش و بردار سرعت مختلف، ممکن است یک حجم از فضا را در یک آن اشغال نمایند و تداخل الکتریکی و مغناطیسی آنها، اندازه میدانی که در آن حرکت میکنند را تحت تاثیر قرار خواهد داد.
همچنین ذرات خنثی و نیز گرد و غبار، دانه و ذرات درشتی که در آن وجود دارند، هر کدام باعث افزایش تاثیر نیروهای دیگر( جاذبه، ویسکوز، برخورد) در فعل و انفعالات پلاسما می شوند.
تاثیرات حرکت مارپیچی مانند الکترونها در اطراف خطوط میدان مغناطیسی در فضا (به خصوص در محیط پلاسما) اغلب به فرم و صورت تابش تقویت شده و حرکت تند شده ذرات باردار الکترونی (سینکرترون) یافت می شود. با در نظر گرفتن قانون نیروی لورنتز، باید یک میدان الکتریکی موازی و هم ردیف با میدان مغناطیسی وجود داشته باشد و حرکت محوری الکترونهای چرخشی، که مولفه ی سرعت آن با میدان مغناطیسی موازی است، جریانی همتراز با میدان را تشکیل می دهند. این جریانها، جریانهای بیرکلند نام دارند که در اخترفیزیک اهمیت به سزایی داشته و داده های رصد تجربی نیز از آن ها موجود است.

میدان هم ردیف با الکترون نسبیتی، تابش سینکرترون طول موج اشعه X تولید میکند.

۴٫۴ دیگر تاثیرات معادلات میدان

یادآوری برخی از نتایج اصلی و پایه ای حاصل از کاربرد معادلات میدان مغناطیسی مفید است

1. میدانهای الکتریکی باعث وارد شدن نیرو بر روی همه ذرات باردار باعث میشوند.
2. نیروی الکتریکی برای ذراتی که بار مخالف دارند در جهات مخالف خواهد بود؛ بنابراین، یک میدان الکتریکی می تواند سرعتهایی درخلاف جهت یکدیگر برای یونها و الکترونها ایجاد کند، پس تمایل به جدا سازی آنها دارد. جدایی بار در فضا در فیزیک پلاسما بسیار مهم است.
3. میدانهای مغناطیسی تنها روی ذرات باردار در حال حرکت که دارای مولفه ی عمودی حرکت بر میدان مغناطیسی هستند، عمل میکند. چون نیروز وابسته به حاصلضرب خارجی بردار سرعت و بردارهای میدان است، اثر آن در جهات مختلف متفاوت خواهد بود. این باعث به وجود آمدن نوعی مقاومت الکتریکی وابسته به جهت می شود. درست مثل تلاش برای شنا کردن در عرض یک رودخانه به جای شنا کردن در مسیر جریان آب رودخانه.
4. جهت میدان مغناطیسی وابسته به بار و اندازه حرکت لحظه ای است؛ پس یونها و الکترونها در با شعاع و دوره چرخش متفاوت، جهت مخالف هم میچرخند.
5. حرکت پلاسماهای حجیم در امتداد جهت میدان مغناطیسی باعث توسعه یک میدان الکتریکی محلی خواهد شد که خود آن باعث ایجاد نیروهای تازه بر روی ذرات باردار میشود.
6. تغییر در توزیع ذرات باردار باعث تغییر در میدان الکتریکی بین آنها میشود؛ یک میدان الکتریکی تغییر یافته در میدان مغناطیسی تغییر ایجاد میکند.
7. معادلات ماکسول و قانون نیروی لورنتز با یکدیگر به عنوان یک چرخش بازتابی عمل میکنند که حرکات ذرات باردار و میدانها را در مسیرهای پیچیده تغییر میدهد.

۴٫۵جایگزینی جریانها با میدانهای مغناطیسی

سوالی که مطرح میشود این است که آیا جریانهای الکتریکی میتوانند جایگزین میدان های مغناطیسی شوند که با استفاده از معادلات ماکسول راه حل آسانتری داشته باشیم؟

از نظر فنی، در موقعیتهای خاص و ساده، پاسخ مثبت است. و این روش اغلب در نظریه ها و مدل های هیدرودینامیکی استفاده می شود، زیرا که این روش برای مطالعه ی برخی پدیده های پلاسمایی بسیار راحتتر است. اما جنبه های بسیار زیادی از رفتار پلاسما وجود دارد که در نظر گرفتن حرکت ذرات باردار در آنها مهم، بسیار سخت و تعیین کننده است؛ زیرا اگر رفتار میدان را ساده در نظر بگیریم، پیچیدگی رفتار پلاسمای مورد بررسی را نمی توان توجیه کرد.

این وضعیت شبیه دوگانگی موج- ذره ای در فیزیک ذرات  میباشد: بعضی موقعیتها هستند که استفاده از توصیف ذره ای در آنها(برای توجیه آنها) لازم است.

نمونه هایی از رفتارهای پلاسما نیاز به استفاده از توصیف ذره یا جریان ، شامل(سلولی شدن) cellularization و filamentation (رشته ای شدن)، حمل و نقل انرژی، و بی ثباتی هستند. در نظر گرفتن جریانهای الکتریکی و مدارها مستلزم استفاده از تعاریفی است که بر پایه ی ذرات باشد.

حقیقتا اگر تنها به بررسی تاثیرات میدان در اینگونه موقعیتها بسنده کنیم، از درک و توجه به پیچیدگیهای رفتاری پلاسما در میمانیم. در آینده به بررسی بعضی از این رفتارهای پیچیده تر خواهیم پرداخت.

کهکشان قنطورس A که توسط چاندرا با “نور” اشعه X دیده شد، با جت پلاسمای متمرکز شده و آرایش نتیجه شده از آن به گستردگی ده ها هزار سال نوری

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/11/04/essential-guide-to-the-eu-chapter-4/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد

در حالیکه مطالعات پلاسما ممکن است بر یک موضوع مانند تولید انرژی توسط همجوشی تمرکز کرده باشد، اما درک چگونگی عمل کرد جهان از موضوعاتی است که در انتظار دانشجویان با علاقه است.

آزمایشگاه پلاسما دانشگاه پرینستون
DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

از آنجا که خواص منحصر به فردی برای پلاسما مشاهده می گردد، معمولا آن را به عنوان یک فاز از ماده جدا از جامدات، مایعات و گازها.در نظر می گیریم، این حالت ماده اغلب با نام “حالت چهارم ماده” شناخته می شود. اگرجه در مقیاس کیهانی چون غالب حالت ماده جرم موجود در کیهان از پلاسما است،می توان گفت که پلاسما حالت اول ماده باشد.
شکل ضمیمه چگونگی تغییرات حالت ماده در اثر تغییرات حرارت را نشان می دهد. دمای بالاتر و انرژی بالاتر با انتقال به سمت بالا و پایین نشان داده شده است. اما همواره انرژی گرمایی خیلی زیادی برای یونیزه کردن لازم است، اما یک حالت یونیزه باردار غیرتعادلی می تواند در هر دمایی با روش های دیگر ایجاد شده و حفظ شود.
به عنوان مثال، یک جامد به عنوان یک کابل الکتریکی فلزی که یک دفعه در یک مدار الکتریکی با یک منبع تغذیه با اختلاف پتانسیل بالا متصل می شود نتیجه این است که الکترون ها از هسته فلزی جدا شده و آزادانه در طول سیم به عنوان جریان بار حرکت می کنند.
و یا ظرف آب با کمی نمک، مانند: سدیم کلرید، به راحتی یونیزه می شود. اگر یک ولتاژ الکتریکی را از طریق یک سیم به آن اعمال شود، اتم های هیدروژن و اکسیژن می توانند به خلاف سیم های باردار رانده شوند و به اتم های گازی در دمای اتاق برسند،مانند حالتهای پایدار و خنثی که در قسمتی از جهان الکتریکی ما وجود دارد. اما این راهنمای آموزشی بیشتر در مورد بررسی وضعیت جریان پلاسما و الکتریسیته در مقیاس بزرگتر، در فضا تمرکز خواهد کرد.
ابر مولکولی سحابی گاز سرد و گرد و غبار می تواند با تابش یک ستاره در نزدیکی اش و یا تابش کیهانی یونیزه شود، یون ها و الکترون ها که ویژگی های یک پلاسما سازمان یافته را می گیرند قادر به حفظ بار و ایجاد لایه های دوگانه جدا کننده بار و میدان الکتریکی با اختلاف پتانسیل خیلی زیاد هستند. این پلاسما به بارها شتاب می دهد و میزان رسانایی آن از فلزات بیش تر است. این جریان پلاسما می تواند به شکل صفحات و یا رشته های پلاسما باشد، دو ریخت شناسی که با آن می تواند پلاسما شناسایی شود. .

در پلاسما، نسبت یونها توسط درجه یونیزاسیون تعیین می شود. درجه یونیزاسیون پلاسما از کمتر ۰٫۰۱% تا ۱۰۰% می تواند تغییر کند، رفتار پلاسما به دلیل وجود ذرات باردار و جدایی بار الکتریکی به عنوان نوعی از رفتار پلاسما در سراسر این محدوده رخ خواهد داد.
گاهی اوقات پلاسما فقط به عنوان “گاز یونیزه شده” اشاره می شود. درحالی که از لحاظ فنی درست است، اما این اصطلاح ناقص و قدیمی است که برای پنهان کردن این واقعیت که پلاسما به ندرت مانند یک گاز رفتار می کند، استفاده می شود. پلاسما در فضا به سادگی منتشر نمیشود و خود را به اشکال پیچیده ای سازماندهی می کند، و تاثیرپذیری از گرانش نخواهد داشت، مگر این که نیروهای الکترومغناطیسی از گرانشی کمتر باشند. در واقع پلاسما حالتی از مواد به شکل گاز نیست، بلکه خودش به تنهایی، حالتی به نام پلاسما است!
فوران های خورشیدی از توده های عظیم ” گاز یونیزه شده” (پلاسما) که برجسته و شناخته شده است و همچنین فوران های خروجی تاج خورشیدی بر علیه جاذبه قوی خورشیدی ،  نشان دهنده این مورد ، می باشد. باد خورشیدی که از جنس پلاسما است، شامل ذرات باردار در حال حرکت می باشد که به عنوان جریان های الکتریکی شناخته می شود. این پدیده نه یک سیال است، نه یک باد و نه یک گاز داغ، که آن را در شرایط ساده تعبیر کنیم. باید با استفاده ار کلمات دیگری به جز دینامیک سیالات واقعیت پیچیده جریان های الکتریکی و پدیده های پلاسما که قدرتمند تر از گرانش هستند را نشان دهیم، واقعیتی که شامل پدیده های پلاسما و جریان های الکتریکی درون فضا در فواصل دوری که ما میتوانیم رصد کنیم می باشد.

انتقال جرم تاج خورشید باعث تخلیه میلیاردها تن پلاسما به محیط بین سیاره ای میشود. خورشید به اندازه حلقه سفید در صفحه ی مستتر است، تصویر فضاپیمای SOHO

۲٫۳یونیزاسیون
ما می دانیم که فضا از میدانهای مختلف و مجموعه ای از ذرات متنوع ،که بسیاری از آنها باردار اند، در مقیاس های اتمی تا سیاره ای و ستاره ای و کهکشانی پر شده است. ذرات خنثی (اتم ها و مولکول هایی که تعداد پروتون و الکترون یکسان دارند(پادماده در این بحث در نظر گرفته نمی شود)، به وسیله بار مخالفشان شکل می گیرند و در مقابل، ذرات باردار طی عملی به اسم یونیزاسیون از اتم ها و مولکولها تشکیل می شوند.

اگر یک الکترون –که دارای یک بار منفی است- از یک اتم جدا شود، اتم با بار مثبت باقی خواهد ماند و الکترون جدا شده و اتم باقی مانده از یکدیگر جدا می شوند. به این فرآیند، عمل یونیزاسیون می گویند  و به اتم باقی مانده با بار مثبت، یون گفته می شود. ساده ترین اتم، هیدروژن، از یک پروتون (که هسته آن است) و یک الکترون تشکیل شده است. اگر هیدروژن یونیزه شود، در نتیجه یک الکترون آزاد و یک پروتون آزاد خواهیم داشت. یک تک پروتون ساده ترین نوع یون می باشد.

اگر اتم سنگین تر از هیدروژن یونیزه شود، می تواند یک یا تعداد بیشتری الکترون از دست بدهد. بار مثبت یون با تعداد الکترونهای کنده شده برابر است. یونیزاسیون می تواند برای مولکول ها نیز اتفاق بیوفتد و یا همچنین با اضافه کردن الکترون به اتم یا مولکول خنثی رخ دهد که باعث به وجود آمدن یون منفی می شود. ذرات گرد و غبار در فضا غالبا باردار هستند و امروزه مطالعه ی فیزیک پلاسمای این گرد و غبارها موضوع تحقیق در بسیاری از دانشگاه ها می باشد.
برای تبدیل اتم ها به یون بار مثبت و آزاد شدن الکترون به انرژی نیاز است. (به شکل توجه کنید)

اولین انرژی یونیزاسیون در مقابل اعداد اتمی عناصر.

۳٫۳ آغاز و بقای یونیزاسیون
انرژی آغاز و بقای یونیزاسیون می تواند ناشی از ۱-انرژی جنبشی حاصل شده از برخورد بین ذرات پر انرژی (در دمای به اندازه کافی بالا) و یا ۲- از تابش به اندازه کافی شدید باشد. متوسط انرژی جنبشی تصادفی ذرات به طور معمول به عنوان درجه حرارت بیان می شود، و در برخی از موارد در سرعت های بسیار بالا با واحد الکترو ولت (eV) بیان می شود.

با تقسیم دمای کلوین (K) بر عدد ۱۱۶۰۴٫۵ دمای کلوین به eV تبدیل می شود. متقابلاً با ضرب کردن مقدار eV در عدد ۱۱۶۰۴٫۵ دما بر حسب کلوین بدست خواهد آمد.

شکل، انرژی یونش مورد نیاز لایه اول، یعنی بیرونی ترین الکترون یک اتم یا مولکول را نشان می دهد. الکترونهای بعدی بیشتر به هسته مقید هستند و برای یونیزاسیون انها به انرژی بیشتری نیاز داریم. ممکن است چند سطح از الکترونها از اتم هایی که در محیطهای بسیار پر انرژی وجود دارند، مانند آن الکترونهایی که داخل و یا اطراف ستارگان و جتهای کهکشانی هستند، جدا بشوند. توجه: این پلاسما های پر انرژی از منابع مهم الکترون و یون هستند که میتوانند با سرعت بسیار زیادی شتابدار شوند، که منابعی از پرتوهای کیهانی و تابشهای سینکروترون در بسیاری از طول موجها می باشند.
برای اطلاعات بیش تر پرتوهای کیهانی متصل به ابرهای پوششی که روی آب و هوای جهان ما موثر است در کتاب The Chilling Stars هنریک سونزمارک (Henrik Svensmark) گزارش شده است.

دما معیاری است برای اینکه ذرات چه مقدار انرژی جنبشی کاتوره ای دارند که به میزان برخورد ذرات و سرعت حرکتشان وابسته است. دما روی مرتبه یونیزاسیون پلاسما تاثیر می گذارد. میدانهای الکتریکی هم ردیف و هم تراز (موازی) با میدانهای مغناطیسی محلی (با شرط این که بدون اعمال نیرو خارجی و اضافی باشند) می توانند در پلاسما شکل بگیرند. ذرات شتابدار در شرایط همترازی میدان ها تمایل دارند که به جای حرکت تصادفی به صورت موازی حرکت کنند، و به تبع آن برخورد نسبتا کمی با هم دارند. تغییر مسیر حرکت ذرات از مسیر تصادفی به حالت موازی“dethermalization” گفته می شود.

در یک برخورد بین یک الکترون و یک اتم، یونیزاسیون در صورتی اتفاق می افتد که انرژی الکترون (دمای الکترون) از انرژی یونیزاسیون اتم بزرگتر باشد. به همین ترتیب در برخورد یک الکترون با یک یون، اگر الکترون به اندازه کافی انرژی داشته باشد، الکترون و یون دوباره با هم ترکیب نمی شوند. در واقع میتوان این حالت را با زمانی که الکترون سرعتی بیش از سرعت فرار یون داشته باشد تشبیه کرد که در این وضعیت الکترون در مدار اطراف یون گیر نمی افتد.

دیاگرام ساده از آزاد شدن الکترون ، در روند یونیزه شدن اتمی خنثی

دمای الکترون در پلاسماهای فضایی می تواند به محدوده صد تا میلیونها کلوین برسد. بنابرین پلاسماها میتوانند در حفظ حالت یونیزه خود موثر باشند. در واقع حالت جدایی بارها در پلاسمای فضایی طبیعی است.

منابع دیگر انرژی یونیزاسیون شامل: ۱٫ پرتوهای کیهانی با انرژی بالا که از مناطق دیگری وارد میشوند، ۲٫ پرتوهای پر انرژی و “یونیزه کننده” مانند نور فرابنفش شدید که از ستاره نزدیک بر روی گاز یا پلاسمای ضعیف می تابد، ۳٫ برخورد بین یک منطقه پلاسما و یک منطقه از گاز خنثی که در آن سرعت نسبی برخورد فراتر از سرعت بحرانی یونیزاسیون (CIV) است (این توسط هانس آلفون Hannes Alfvé، درباره یونیزاسیون بین گاز یونیزه نشده و پلاسمای مغناطیسی شده Rev. Mod. .فیزیک، جلد ۳۲، ص ۷۱۰، ۱۹۶۰ به چاپ رسید) و یا ۴٫ فرایندهای تابشی پرانرژی که در خود پلاسما ایجاد شده، می باشند.

فرایند بسیار پر انرژی مشاهده شده در سحابی NGC 3603 : ابرغول آبی Sher 25 با حلقه حلقوی و جتهای دو قطبی، (مرکز بالا)؛ قوس و حالت تابش تخلیه پلاسما به عنوان نشر سحابی (مناطق زرد و سفید)؛ خوشه داغ و آبی- WolfRayet و ستارگان جوان نوع O، با رشته های الکتریکی و پوشش دهی در سراسر مناطق پلاسمای گرد و غباری سحابی. عکس از: Hua -W. Brandner (JPL/IPAC), E. Grebel (U. of Washington), YouChampaign),-Chou (U. of Illinois, Urbana و تلسکوپ فضایی هابل ناسا.

در کیهان شناسی بیگ بنگ این طور تصور می شود که در جهان به اندازه ایجاد شدن و باقی ماندن یون های جداشده (یون های تک) و الکترون ها ، انرژی وجود ندارد، در نتیجه این یون ها و الکترون ها نمیتوانند وجود داشته باشند. از طرف دیگر، هر زمان که یون و الکترونها در یک اتم با هم ترکیب میشوند، انرژی  آزاذ می شود. در مدل بیگ بنگ عقیده بر این است که الکترون ها و پروتون ها قبل از اتم ها ساخته شده اند، پس باید مقدار عظیمی از انرژی هنگام تشکیل اتم در جهان آزاد شده باشد. پس ممکن به نظر می رسد که اگر مدل بیگ بنگ درست باشد، این انرژی هنوز هم باید در دسترس تعداد زیادی از اتمها برای دوباره یونیزه شدن قرار بگیرد. متعاقبا این نیز ممکن به نظر می رسد که همه الکترونها و پروتونها بعد از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) به اتم ترکیب نشده اند.

لازم به ذکر است که مدل جهان الکتریکی بر مدل بیگ بنگ تکیه ندارد. مدل الکتریکی به سادگی می گوید که ما الکترونها و یونها را هر جای جهان که نگاه کنیم میابیم؛ پس آنها وجود دارند و احتمالا به تعداد زیادی هم هستند. تلسکوپ هایی که قابلیت رصد فوتونهای پر انرژی را دارند، مثل چاندرا Chandra (اشعه ایکس) ، EIT، تصویر نگارفرابنفش قوی تعبیه شده بر تلسکوپ رصد خورشید SOHO، گواه وجود منابع انرژی یونیزاسیون در نقاط دور و نزدیک کیهان می باشد. اینکه بگوییم یونهای سیار و الکترونها نمی توانند در مقیاسهای بالا وجود داشته باشند آن هم به این دلیل که انرژی کافی برای بوجود آمدن آنها در جهان وجود ندارد همانقدر اشتباه است که بگوییم کل عالم به همان دلیل نمی تواند وجود داشته باشد.
و این یکی از اختلاف منظرهای اصلی مدل جهان الکتریکی با کیهان شناسی بیگ بنگ است.
۴٫۳ تحقیقات پلاسمایی

دانشمند نوروژی کریستین بیرکلند در کنار ساخته اش تِرِلا (زمین کوچک)، گوی کوچک شبیه سازی میدان مغناطیسی پلاسما در خلا سال ۱۹۰۴

اگر چه پلاسما ممکن است در زیست کره ی زمین معمول نباشد، در رعد و برق به شکل های مختلف، شفق های قطب جنوب و شمال، جرقه های الکترسیته ساکن، جرقه های مشتعل زا، انواع شعله ها(فصل ۲, ¶۲٫۶ را ببینید)، در لوله های خلا لامپ ها، در قوس الکتریکی جوشکاری، کوره های قوس الکتریکی، تخلیه های الکتریکی، مشعل های پلاسما برای دفع زباله های سمی، لامپ های نئون و فلوئورسنت دیده می شود.

رفتار پلاسما به طور گسترده در آزمایش های آزمایشگاهی برای بیش از ۱۰۰ سال مورد مطالعه قرار گرفته است. تحقیقات منتشر شده ی زیادی به وسیله ی آزمایشگاه های مختلف و سازمان های حرفه ای،ازجمله موسسه مهندسان برق و الکترونیک(IEEE)، که امروزه بزرگترین سازمان فنی و حرفه ای در جهان است بر روی حرکت پلاسما وجود دارد،.که یک ژورنال به نام تراکنش ها در علم پلاسما منتشر می کند.

ما بر بسیاری از این تحقیقات در ادامه ی این راهنما برای شرح رفتار پلاسما تکیه خواهیم کرد.یک نکته که باید به یاد داشته باشید آن است که رفتار پلاسمایی در مقیاس های گوناگون نشان داده شده است. ما می توانیم نمونه هایی در مقیاس کوچک از پلاسما را در آزمایشگاه تست کنیم و می دانیم که نتایج قابل مشاهده را می توان به ابعاد کوچک لازم برای توضیح رفتار پلاسما در فضا تبدیل کرد.

چنبره ی خلا آزمایشگاهی پلاسما در مرکز تحقیقاتی پلاسمای دانشگاه کالیفرنیا در دست دکتر پاول بِلان : سال ۲۰۰۸ Cal Tech

۵٫۳پلاسما و گازها

به علت وجود ذرات باردار، یونها،الکترون ها وذرات گرد و غبار باردار ،پلاسما ی کیهانی ، متفاوت با گاز خنثی در حضور میدان های الکترومغناطیسی رفتار می کند.

نیروهای الکترومغناطیسی باعث می شود که ذرات باردار حرکتی متفاوت از اتم های خنثی داشته باشند. حرکت پیچیده ی پلاسما می تواند از این نوع حرکات جمعی منجر شود.

توانایی پلاسما برای تشکیل سلول ها و رشته ها در مقیاس بزرگ یک ویژگی رفتاری قابل توجه است. در واقع به علت رفتار تقریبا زنده و شباهت های پلاسمای کیهانی به پلاسمای خون است که پلاسمای کیهانی به این نام شناخته می شود.

سلولاریزاسیون پلاسما باعث دشواری در ارایه ی مدل دقیق می شود.استفاده از اصطلاح گاز یونیزه گمراه کننده است چون بیان می کند که حرکت پلاسما را می توان از رفتارگاز یا دینامیک سیالات شرایط خاص نشان داد. اما این طور و با شرایط ساده نمی توان درباره پلاسما حرفی زد.

آلفون و آرنیوس در سال ۱۹۷۳ در تکامل منظومه شمسی نوشته اند:

” به وسیله اصطلاح گاز یونیزه شده و واژه ی پلاسما تفاوت اساسی {در ارایه مدل} تاحدی نشان داده شده است ، اگرچه در واقعیت یکی هستند، ولی انتقال مفاهیم به طور کلی متفاوت است. جمله ی اول درک متعادلی به ما می دهد که اساسا شبیه گاز است، به خصوص گاز اتمسفر که ما بیشتر با آن آشنا هستیم. در مقابل این،یک پلاسما، به خصوص پلاسمای مغناطیسی به طور کامل یونیزه، یک واسطه با خواص کاملا متفاوت است.”

۶٫۳ رسانایی الکتریسیته

پلاسما شامل ذرات باردار جدا شده است که می توانند آزادانه حرکت کنند. به یاد داشته باشید که طبق تعریف، ذرات متحرک یک جریان را تشکیل می دهند، ما می توانیم ببینیم که پلاسما می تواند الکتریسیته را هدایت کند. در واقع، پلاسما شامل یون ها و الکترون های آزاد است،الکتریسیته به وسیله ی یک یا هردو نوع بار هدایت می شود.

در مقایسه،هدایت در یک فلز کاملا به علت حرکت الکترون های آزاد است چون یون ها به شبکه ی بلوری مقید هستند. این بدان معنی است که پلاسما رسانایی کارآمد تر از فلزات می باشد، همانطور که الکترون ها و یون های مشابهشان هردو در زیر نیرو های اعمال شده آزاد در نظر گرفته می شوند.

بهره وری از رسانای پلاسمایی در چراغ های فلوئورسنت فشرده که به سرعت در حال جایگزین شدن با بسیاری از رشته های فلزی در منابع نوری است. (مقاومت در برابر حرارت)

۷٫۳ مقاومت الکتریکی پلاسما

در مدل گرانشی،پلاسما اغلب برای سادگی یک رسانای کامل با مقاومت صفر فرض می شود. اما،همه ی پلاسما ها یک مقاومت کوچک غیر صفر دارند. این اساسی برای درک کامل الکتریسیته در فضا است. از آنجا که پلاسما دارای یک مقاومت کوچک غیر صفر است، قادر است که میدان های الکتریکی ضعیف را بدون اتصال کوتاه در خودش حفظ کند.

رسانای الکتریکی یک ماده توسط دو عامل تعیین می شود: تراکم جمعیت حامل های بارموجود در ماده (یون ها و الکترون ها) و میزان آزادی حرکت این حامل های بار.

در فضای پلاسما،تحرک حامل های بار بسیار بالاست زیرا به علت تراکم بسیار کم ذرات و دمای کم یونها، آن ها در برخورد بسیار کمی با ذرات دیگر قرار می گیرند. از سوی دیگر، چگالی حامل های بار موجود نیز بسیار پایین است، و ظرفیت پلاسما در حمل جریان را محدود می کند.

مقاومت الکتریکی در پلاسما که یک مقدار ناچیز غیر صفر است،که به عکس تحرک و چگالی بار ایجاد شده بستگی دارد.

از آنجا که یک میدان مغناطیسی به ذرات باردار در حال حرکت در جهت عکس میدان برای تغییر جهت نیرو وارد می کند، مقاومت در جهت عکس میدان مغناطیسی به طور موثر از مقاومت در جهت میدان مغناطیسی بسیار بالاتر است. این زمانی مهم می شود که به دنبال رفتار جریان الکتریکی در پلاسما هستیم.

اگر چه پلاسما رسانای بسیار خوبی است ولی یک رسانای کامل یا ابررسانا نیست.
۸٫۳ مبحث ایجاد اختلاف بار الکتریکی
(میدان مغناطیسی قوی مشتری، باعث ایجاد اختلاف پتانسیل و شدت جریانی شده است که میدان الکتریکی تقریبا به انداره ۲ تریلیون وات را بین خود و قمر (یو) ایجاد کرده است، در این میدان لایه های نازک یونی، حامل یون های شتاب دار دیده می شوند.)

در حجم بسیار زیاد پلاسما تمایل دارد که به مقدار مساوی بار مثبت و منفی داشته باشد، زیرا هرگونه عدم تعادل بار به آسانی توسط حرکت الکترون های پر انرژی خنثی می شود. بنابراین این سوال مطرح می شود که اگر پلاسما یک رسانای خوب است و تمایل دارد به سرعت و خود به خود خنثی شود. چگونه نواحیِ با تفاوت در بار الکتریکی وجود دارد؟

در یک مقیاس کوچک، در حدود ده ها متر در یک فضای پلاسما، تغییرات طبیعی به عنوان یک نتیجه از تغییرات تصادفی در جنبش های الکترونی رخ خواهند داد، و این پدیده یک منطقه کوچک خنثی را به صورت موقتی به وجود می آورد.

در مقیاس بزرگتر، بارهای مثبت و منفی در حال حرکت در یک میدان مغناطیسی به طور خودکار تا حدی جدا می شوند، زیرا نیروهای میدان با بارهای مثبت و منفی در دو جهت مخالف هستند. این باعث می شود مناطق با بارهای مختلف پدیدار شوند و به حرکت در میدان مغناطیسی ادامه می دهند.
در نتیجه تحت تاثیر یک میدان الکتریکی، بارهای جداشده باعث بیش تر شدن شتاب یون ها و الکترون ها در جهت مخالف می شود. به عبارت دیگر، در لحظه ای که یک ناهمگونی کوچک ایجاد می شود، این ناهمگونی منجر به شروع یک رفتار پیچیده از پلاسما می شود.

علاوه بر این ها، رفتارهای پلاسما به صورت رشته ای و سلولی لایه های نازکی با بارهای جدا شده می سازد، اگرچه این لایه ها نازک هستند اما آنها می توانند در مناطق وسیعی از فضا ادامه پیدا کنند.

۹٫۳ “مسائل مهمی که باید درباره رفتار پلاسما دانست”

نکته ضروری که باید در نظر گرفت زمانی است که پلاسمای فضایی (پلاسمای موجود در فضا) اغلب کاملا بر خلاف یک گاز ، رفتار می کند.
ذرات باردار که از ویژگی های تعیین کننده پلاسما هستند در میدان های الکترومغناطیسی که خود این ذرات می توانند تولید کنند ، تحت تاثیر قرار می گیرند.
در حالت خاص، رشته ها و سلول های پلاسما ،درون پلاسما ایجاد می شوند، که به همین خاطر پلاسما نامیده می شود .
به طور کلی رفتار پلاسما کمی مانند رفتار فراکتال ها است. هر دو، سیستم های پیچیده ای هستند که از قواعد رفتاری نسبتا ساده ، منشا گرفته اند. اما برخلاف فرکتال ها در پلاسمایی که تحت تاثیر بی ثباتی باشد، رشته هایی با لایه های بیشتر و پیچیده تر اضافه خواهد شد
هر مدل نظری یا ریاضی از کیهان که دارای این پیچیدگی ها نیست، حتما در آن، قسمت مهمی از رفتار سیستم نادیده گرفته شده و یا دقت این مدل به کلی دچار اشتباه می شود.

کهکشان فعال M87 در خوشه سنبله در فاصله ۵۰۰۰ سال نوری جریان الکتریکی خود را در امتداد رشته های پلاسما (جت) بصورت گره ها و پیچ خوردگی های درخشان نشان می دهند. تصویر: تلسکوپ فضایی هابل/ناسا

https://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/25/essential-guide-to-the-eu-chapter-3/

مترجمین راهنمای ضروری جهان الکتریکی:

فرزین حسینی، سبا حفیظی، نسترن ختایی، سمانه فتحیه، ساناز مفیدی احمدی، فرشته معماریان، پروین هویدا و ثمین یزدی

هرگونه کپی برداری تنها با ذکر نام “بخش فارسی پروژه بین المللی آذرخش” امکان پذیر می باشد