در چهارم جولای ۱۰۵۴ قبل از میلاد، اخترشناسان چینی یک “ستاره‌ی مهمان” نزدیک ستاره‌ی زتا-ثور در صورت فلکی ثور مشاهده کردند. آن‌ها یادداشت کرده‌اند به اندازه‌ای روشن بود که در روز بدرخشد. جان بویس در سال ۱۷۳۱ یک سحابی درخشان در محل گزارش شده دید، در حالی که چالز مسیه رصد خود را در ۱۷۵۸ ثبت کرد. ویلیام پارسون، ارل سوم راس، با استفاده از تلسکوپ ۷۲ اینچی آینه‌ای ۴ تنی خود که با نام “لوایتان پارسونتون” شناخته می‌شود، نوشت که سحابی شبیه چنگال‌های یک خرچنگ است.

دیدگاه جمع بیان می‌کند که این سحابی بازمانده‌ای از یک انفجار ابرنواختری است. آنچه به طور معمول یک تپ‌اختر نامیده می‌شود ابتدا در مرکز سحابی خرچنگ توسط اخترشناسان امواج رادیویی در سال ۱۹۶۸ کشف شد. متعاقباً، فهمیدند که به خوبی یک چشمه‌ی تابش نور مرئی و پرتو ایکس نیز می‌باشد. تپ‌اختر سحابی خرچنگ ۳۰ بار در ثانیه چشمک می‌زند، ستاره‌ی مرکزی باید  ۳۰ بار در ثانیه بچرخد.

در تصویر بالای صفحه، الکترون‌هایی که با انرژی بالا شتاب گرفته‌اند با رنگ آبی نشان داده شده‌اند، و با انرژی کم‌تر با رنگ بنفش. داده‌های ماهواره فرمی بالاترین انرژی الکترون‌ها را در نزدیکی مرکز سحابی ثبت کرده‌است. پرانرژی ترین الکترون‌هایی که تا کنون ثبت شده‌اند.

ستارگان نوترونی قرار است به سوالات مربوط به رفتار غیر عادی تپ‌اخترها پاسخ دهند، مخصوصاً وقتی در یک بازه‌ی زمانی کوتاه نوسان می‌کند، مانند تپ‌اختر سحابی خرچنگ. چنین تصور می‌شود که آن‌ها باقی مانده‌‍‌ای هستند پس از آن که ستارگان لایه‌های بیرونی خود را در انفجارهایی قدرتمند به بیرون پرتاب می‌کنند و یک هسته‌ی ابر چگال برجای می‌گذارند. تمام الکترون‌های برجای مانده از هسته‌ی ستاره توسط گرانش فشرده می‌شوند تا در هسته با پروتون‌ها ترکیب شوند، و ماده‌ای بسیار چگال را تشکیل می‌دهند که یک قاشق چای خوری از آن در زمین میلیاردها تن وزن خواهد داشت.

چنین فرض می‌شود که تپ‌اخترها وقتی شکل می‌گیرند که میدان مغناطیسی ستاره‌ی نوترونی بیش‌تر از ۱۰ به توان ۱۵ گاوس باشد. در مقایسه، میدان مغناطیسی زمین یک و نیم گاوس است. شواهد ستاره‌ی نوترونی غیر مستقیم هستند، با این حال، هیچ‌کدام تا به حال رصد نشده‌اند. چیزی که رصد شده میدان مغناطیسی قدرتمندی است که در کسری از ثانیه می‌تپد. نظریه ستاره‌ی الکتریکی پیشنهاد می‌دهد که ستارگان نوترونی اجسامی خیالی هستند. کیهان شناسی وابسته بر تنها گرانش، به آن نیاز دارد زیرا نیروی ایجاد شده از چرخش میلیاردها میلیون تن به سرعت چرخش دریل باعث می‌شود تا ستاره خود را از هم جدا کند.

یکی از سخت‌ترین مشکلات همراه با ستارگان نوترونی تجاوز آن‌ها از اصل “جزیره‌ی ثبات” است. تعداد نوترون‌هایی که بر تعداد پروتون‌های هسته‌ی عناصر غلبه می‌کند یک نسبت تقریباً یک به یک برای عناصر سبک و برای عناصر سنگین‌تر تقریباً یک و نیم به یک را نشان می‌دهد. هر چیزی خارج از این حد، خود به خود رو به زوال می‌رود تا به تعادل برسد. تعداد بسیار اندکی نوترون و اتم، پروتون منتشر می‌کنند تا جایی که تثبیت گردند، یا بلعکس. بنابراین، هسته‌ی اتمی که تنها از نوترون‌ها تشکیل شده است، ناپایدار بوده و بلافاصله از بین می‌رود.

از وقتی که میدان‌های مغناطیسی توسط جریان‌های الکتریکی القاء می‌شوند، باید الکتریسیته در میدان‌های قدرتمند یک تپ‌اختر تولید شود. این “جریان‌های خورنده” باید همچنین بخشی از یک مدار باشد، از آن جایی که جریان الکتریکی مداوم باید در یک مدار کامل جاری شود. طرفداران جهان الکتریکی گمان می‌کنند که نوسانات در تپ‌اخترها توسط اثرات تشدید شده در این مدارات پدید آمده است. انتشار ناگهانی انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک ” لایه‌ی دوتایی” مسئول طغیان‌های پر انرژی‌شان است.

در حالی که بارهای الکتریکی در میان ابرهای غباری پلاسما در جریان‌اند، اثر بیو-ساوار رشته‌های خطی را کنار هم قرار می‌دهد، و مناطق فشرده سازی به نام “زد-پینچ” یا “گره‌های بنت” را شکل می‌دهند. بسته به آن که چه مقدار الکتریسیته در مدار جاری است، جایی که چگالی جریان حداکثر باشد میدان مغناطیسی ستاره به بیشترین حد خود می‌رسد. شبیه‌تر به نظر می‌رسد تپ‌اخترها نمایشگاهی از تجمع عظیمی از الکتریسیته متمرکز توسط اثر یک “تفنگ پلاسما” برگزار کرده‌اند.

مواد ابرچگال و چرخش‌های زیاد الزامی نیستند. الکتریسیته‌ی جاری در مدار یک توضیح منسجم برای رفتار تپ‌اخترها فراهم می‌کند که شامل شعله زنی‌های اشعه گاما نیز می‌باشد، و با نظریات الکترومغناطیس مورد قبول نیز مطابق است.

استفان اسمیت

ترجمه: پرهام سعیدی

Electronic Nebula – Translator: Parham Saeedi

“من می دانم که خیلی از منتقدان می گویند که برای این چنین واکنش هایی، ستاره ها به اندازه ی کافی داغ نیستند. خب خودشان هنوز در شناخت این راه دچار مشکل هستند، ما به آنها میگوییم بروید و جایی داغ تر پیدا کنید.”

– آرتور ادینگتون

خورشید عمدتا از هیدروژن ( ۷۱% )، هلیوم ( ۲۷% ) و از عناصر دیگری به میزان کمتر که به ترتیب شامل اکسیژن، نیتروژن، سولفور، کربن و ۶ عنصر دیگر ساخته شده است. اگرچه میتوان تمام عناصر روی زمین را بر روی طیف خورشید دید، اما ۱۲ عنصر نام برده شده، ۹۹٫۹% از جرم خورشید را تشکیل می دهند.

خورشید ۱،۳۹۰،۰۰۰ کیلومتر قطر دارد و با یک تقریب مناسب جرم آن ۳۰^۱۰*۱٫۹۸ کیلوگرم است. درجه حرارت سطح خورشید ۵۸۰۰ کلوین اندازه گیری شده که با این نسبت، پیش بینی می شود که در مرکز آن دمای ۱۵۶۰۰۰۰۰ وجود داشته باشد. همان طور که در مدل های استاندارد بیان می شود خورشید باید در مقابل فشار گرانشی خود، یک فشار مخالف رو به بیرون داشته باشد، در غیر صورت در خود فرو ریخته و به یک توپ جامد کوچک تبدیل می شود. این تئوری بیان می کند که باید یک منشاء انرژی در درون خورشید وجود داشته باشد که به این نیروی گرانشی غلبه کند.

در دیدگاه آرتور اِدینگتون(Arthur Eddington) که در کتاب کار کلاسیکش “قانون کلی درون ستارگان” بیان شده، تنها واکنش های هسته ای توانایی تولید این چنین انرژی هایی را دارند که خورشید را در طول میلیون ها سال در مقابل فشار گرانشی خود و یا در اصطلاح ” در مقابل وزن خود ” حفظ کنند. چون فعل انفعالاتی که داشنمندان برای واکنش های هسته ای فیوژن( همجوشی هسته ای) بیان می کردند، تا چندین سال پس از نظریه اِدینگتون مدل سازی ریاضی نداشتند، تا آن زمان بیشتر حرف های اِدینگتون جنبه ی باور و اعتقادی داشت ، تا جنبه تحقیقاتی و علمی .

بطور فرض، چگونه خورشید گرما و نوری که برای ادامه ی حیات کره ی ما نیاز است را تولید می کند ؟

در نظریه ی همجوشی، زمانی که خورشید در حال بیرون آمدن از سحابی خود و به دنیا آمدنش بود، گازهای آن بخاطر گرانش در کنارهم جمع شدند تا زمانی که دمای آنها به ۱۰ میلیارد کلوین رسید. در این زمان، اتم های هیدروژن به ذرات مستقل الکترون و پروتون واپاشی کردند و پروتون ها آزاد شدند و با یکدیگر برخورد کردند. اولین برخورد ها بین پروتون ها، اولین مرحله است از واکنش های هسته ای که زنجیره ی پروتون-پروتون خوانده می شود.

هنگامی که پروتون ها در آن دما باهم برخورد می کنند، سرعت کافی برای فیوز و ترکیب شدن با ذرات دیگر را دارند: دوتریوم، پوزیترون و یک نوترینو. دوتریوم ترکیب پروتون-نوترون هست، و پوزیترون، یک الکترون با بار مثبت است. نوترینوها شبیه به الکترون هستند، با این تفاوت که بار الکتریکی ندارند و تقریبا جرم کم و برابری با الکترون دارند. نوترینو ها بر خلاف الکترون ها که بار الکتریکی دارند و تحت تاثیر نیروی میدان الکترومغناطیسی ، به آنها نیرو وارد می شود، نیرویی از طرف میدان احساس نمی کنند.

مرحله ی دوم در واکنش های پروتون-پروتون، تشکیل ساختار هلیوم۳ است زمانی که دوتریوم با یک پروتون دیگر ترکیب می شود و در همین حال پرتوی گاما آزاد می شود. یک هلیوم۴ و دوعدد نوترون نتیجه ی نهایی واکنش است، با این توضیح که این نتیجه می تواند توسط مسیر های زیادی در واکنش های متفاوت، تولید شود.

در حقیقت، همان طور که والاس تورنهیل به عنوان یک نظریه پرداز مدل الکتریکی بیان می کند،  ستاره ها در یک غلاف پلاسمایی قرار گرفته اند که ممکن است به اندازه یک روز نوری طویل باشد. آنها مرز های بین نواحی تاثیرگذاری الکتریکی ستاره ها و جریان های حرکت کننده در داخل کهکشان هستند:

غلاف پلاسمایی خورشید یا هلیوسفر آن، ۱۰۰ برابر فاصله ی زمین تا خورشد، گسترش یافته است. برای اینکه بتوانیم یک دید درستی نسبت به ابعاد و اندازه ی هلیوسفر خورشید داشته باشیم، به این فکر کنید که می شود کل ستارگان کهکشان راه شیری را در فضای بین مدار پلوتو و خورشید جای داد. هیلوسفر خورشید میتواند ستارگان ۸ کهکشان راه شیری را در خود جای دهد. از نوع رفتار فوتوسفر سردی که خورشید دارد می توان نتیجه گیری کرد که خورشید یک آند یا یک الکترود با بار مثبت دردشارژهای کیهانی است. کرومسفر قرمزنقطه مقابل روشنایی بالای سطح آند در یک تیوب دشارژ است. زمانی که چگالی جریان برای سطح آند بسیار زیاد باشد، پلاسمای ثانویه ی روشنی در درون پلاسمای اولیه ایجاد می شود. این  اتفاق “Anode Tufting” نامیده می شود. روی خورشید، این آندها در کنار هم قرار می گیرند و دانه های خورشید را تشکیل می دهند که به نظر دانه های ریز می رسند.

ستارگان قدرت خویش را از بیرون می گیرند نه از درون. واکنش های هسته ای در روی سطح آن اتفاق می افتد نه درون هسته.  بادهای خورشیدی به عنوان یک ارتباط مستقیم خورشید با سیارات خویش و خوشه ی کیهانی خودش هست، بنابراین نظریه ی ۹۰ساله ی چرخه ی هسته ای که کوره ی خورشید را روشن کرده است، نیاز به بازنگری دارد.

استفان اسمیت

ترجمه بردیا قبادی

Fusion Fires

Translation: Bardia Ghobadi

The Sun in many different wavelengths. Credit: NASA/SDO/Goddard Space Flight Center

متن فوق صرفا، جهت آگاهی علاقه مندان و خوانندگان با مواضع منتقدین مدل همجوشی خورشید و آشنایی با مدل جایگزین الکتریکی گزینش شده ، است، هرگونه استفاده از این ترجمه با ذکر نام مترجم و بخش فارسی پروژه آذرخش آزاد است.

رشته های متقاطع از یک ستاره غول قرمز در حال انبساط دیده می شوند. آیا آنها گاز داغ هستند و یا جریانی از ذرات باردار؟

جت های پیچیده ای از مواد به شکل حلقه، گره، و جریان های مارپیچیاز گازهای درخشان از CRL 618 خارج می شوند. شکل کلی به اصطلاح “سحابی سیاره ای” دو جت غول پیکر و دوشاخه در حال ظهور از ستاره را که نشان دهنده ی شکل مارپیچی در ابتدا است نشان می دهد.

با توجه به غالب نظریه ها، ستاره های غول سرخ منبسط می شوند زیرا بیشتر هیدروژن اولیه آنها “سوزانده” شده و وارد مرحله دیگری از زندگی می شوند، که مصرف هلیوم است، هلیومی که در واکنش های همجوشی هسته ای ایجاد شده اند. همانطور که اتم هیدروژن به هلیوم تبدیل می شود هلیوم (که سنگین تر از هیدروژن است) در هسته ی ستاره ای فرو می رود، جایی که در آن بیش از میلیون ها یا بیلیون سال انباشته می شود.

هنگامی که ستاره تقریبا سوخت هیدروژن خود را تمام کرد، منقبض می شود زیرا فشار تابشی دیگر برای غلبه بر نیروی گرانشی موثر نیست ، نیروی گرانشی که همواره برای منبسط شدن سطع تلاش می کند ولی سطح منقبض می شود. درحالی که انقباض ادامه می یابد فضار داخلی بالا می رود و ستاره بار دیگر گرم می شود تا زمانی که گرمای کافی برای چرخه هلیوم کربن فراهم شود. به طوری که تابش انرژی تولید شده از همجوشی هلیوم می تواند ستاره را تا مرحله غول سرخ شدن منبسط کند.

پس از اینکه مواد هسته ای ستاره به مرحله ای رسیدند که دیگر نمی توانستند عناصر سنگین تر تولید کنند، مدل فعلی تکامل ستاره ای پیش بینی می کند که ستاره لایه های خارجی خود را روشن می کند و گرمای آن را آزاد می سازد هسته ی متراکم به تدریج کوتوله سفید می شود. در این پیشروی، حجم بسیار زیادی از گاز و غبار درخشان اطراف ستاره ، اغلب تشکیل گردباد مارپیچی یا به شکل رشته بافته شده می دهند و شکلی شبیه به اسباب بازی های slinky به خود می گیرند و بین تئوریسین های مدل الکتریکی به عنوان جریان بیرکلند شناخته می شوند.

تخلیه الکتریکی در پلاسما یک غلاف مغناطیسی لوله مانند در امتداد محور آن ایجاد می کند. اگر به اندازه کافی جریان از طریق مدار باشد، تخلیه الکتریکی باعث می شود تا غلاف بدرخشد، گاهی هم باعث ایجاد تعداد دیگری غلاف در درون آن می شود. غلاف “دو لایه” نامیده می شود. دولایه ها هنگامی که بارهای مثبت در یک ناحیه از ابر پلاسما و بارهای منفی در ناحیه در همان نزدیکی هستند ایجاد می شوند. میدان الکتریکی قدرتمندی بین دوناحیه پدید می آید که ذرات باردار را شتاب می دهد. بارهای الکتریکی مارپیچی در میدان مغناطیسی اشعه ایکس، ماوراء بنفش شدید و گاهی گاما تابش می کند.

در تصویر CRL 618 دولایه درخشان است، که در معرض مرزهای مشخص بین غلاف ها. از زمانی که جریان های الکتریکی در طول غلاف ها جریان می یابند، رشته ها (جریان های بیرکلند) در مسافت های طولانی یکدیگر را جذب می کنند ولی هنگامی که خیلی نزدیک می شوند یکدیگر را دفع می کنند. به جای یکی شدن آنها به دور یکدیگر پیچ و تاب می خورند، در نهایت بصورت خطوط انتقال الکتریکی طولانی در فضا رشد می کنند. سحابی سیاره نما بنابراین باید به عنوان لوله هایی با طول چندین سال نوری باشند که دچار تخلیه الکتریکی گاز شدند.

ذیذگاه توافقی سحابی های سیاره نما بر اساس امواج شوک انفجاری از طریق ابرهایی از گاز داغ است. از زمانی که وقایع گرمایی و جنبشی بی نظم هستند، با این تعریف هر نوری که از این وقایع می آید باید فرکانس های چند گانه را نشان دهد. گرچه، در CRL 618 بالای ۹۰% نور دیده شده در یک محدوده کوچکی از فرکانس است و عمدتا از اکسیژن یونیزه است.

همانطور که هانس آلفون مشاهده کرد، جهان، به زمین بازی تئوری پردازان تبدیل شده است، کسانی که هیچگاه پلاسما در آزمابشگاه ندیده اند. بسیاری از آنها هنوز هم به فرمول هایی که ما از تجربیات آزمایشگاهی می دانیم اشتباه است اعتقاد دارند.

آلفون آن نقطه از زندگی اش را خاطرنشان کرد: مفروضات اساسی کیهانشناسان امروز با پیچیده ترین روش های ریاضی توسعه یافته و تنها پلاسما زیبایی این نظریات را درک نمی کند و از آنها پیروی نمی کند.

استفان اسمیت

ترجمه: فرشته معماریان

A Twist of Plasma

Translator: Fereshteh Memarian

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