Основная причина космических взрывов – дисбаланс электрического заряда

Введение

Процессы звездообразования, эволюции звезд сопровождаются взрывами, причина которых сегодня еще не изучена. Космические взрывы представляют большой научный интерес.

Рассмотрим наиболее характерные из них:

1. Взрывы в спокойных звездах типа Солнца.
2. Взрывы в молодых звездах.
3. Взрывы в галактиках

 

1. Взрывы в спокойных звездах типа Солнца

В процессе «горения Солнца» в окружающее пространство выбрасывается непрерывный поток электронов и отрицательно заряженных ионов, распространяющийся радиально от Солнца и заполняющий всю солнечную систему до расстояний порядка 100 а.е. Это явление получило название «Солнечного ветра». Наличие «Солнечного ветра» предсказано Л.Бирманом в 1950 г. в процессе изучения сил, действующих на хвосты комет. Впервые поток солнечной плазмы зарегистрирован советским космическим аппаратом «Луна-2» в 1959 г. В 1962 г. американским космическим аппаратом также обнаружен и исследован поток солнечной плазмы – «Солнечный ветер». «Солнечный ветер» состоит из потоков электронов, отрицательных ионов, нейтральных атомов (Н,Не,О), движущихся с различными скоростями радиально от Солнца. Основная причина солнечного ветра – термоэлектронная эмиссия из атмосферы Солнца, нагретой до температуры порядка 6000 С, в окружающий Солнце вакуум. Процесс термоэлектронной эмиссии был открыт Томасом Эдисоном в 1879 г. Планеты солнечной системы, являются природными аккумуляторами отрицательного электрического заряда, излучаемого Солнцем. Измерения заряда планет были проделаны. Результаты измерений приведены в таблице 1.[1]

Таблица 1

Из таблицы 1 мы видим, что планеты солнечной системы под действием Солнечного ветра приобретают отрицательный электрический заряд. Повышенный электрический заряд Юпитера и Земли, имеющих магнитное поле, объясняется тем, что увеличена площадь захвата потока отрицательно заряженных частиц, идущих от Солнца, магнитным полем планет. Атмосфера Солнца, потерявшая отрицательный заряд приобретает равный избыточный положительный заряд в соответствии с законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда, один из фундаментальных законов физики был открыт Б. Франклином в 1747 г.

Из закона сохранения электрического заряда следует, что поверхность солнца – атмосфера должна иметь избыточный положительный заряд. Атмосфера Солнца подробно исследована. (рис. 1) [2].

Рис. 1. Атмосфера Солнца [2]

На рис.1. схематично показано строение атмосферы Солнца. Корона солнца состоит из потоков «быстрых» электронов и отрицательных ионов, вылетевших с более глубоких слоев атмосферы солнца. Хромосфера представляет собой слои положительно заряженных ионов. Накопление избыточного положительного заряда возможно только в этом слое. В процессе “горения” Солнце будет накапливать избыточный положительный заряд. Избыточный положительный заряд хромосферы солнца увеличивает выброс электронов в окружающее пространство.

Рис. 2. Два примера наблюдаемой формы Солнечной короны в минимуме (слева) и в максимуме (справа) солнечного цикла

В период спокойного солнца (рис.2, слева) [3] интенсивность свечения короны минимальная. Это объясняется тем, что общее количество избыточного положительного заряда хромосферы Солнца относительно небольшое. В этом случае заряд на поверхности электропроводящей сферы в соответствии с законами классической физики стремится расположиться равномерно по всей поверхности Солнца.

В процессе накопления электрического заряда на поверхности Солнца избыточные положительные заряды хромосферы Солнца играют все более заметную роль (рис 2 справа). Положительный электрический заряд, накопленный хромосферой Солнца, усиливает выброс электронов, интенсивность свечения Солнечной короны, увеличивает число Солнечных пятен. Процесс накопления и сброса положительного заряда хромосферы Солнца происходит циклично с периодом примерно в 11 лет и является основной причиной периодической Солнечной активности. Особенный интерес представляют образования в атмосфере Солнца – солнечные пятна. Солнечные пятна – темные области на поверхности Солнца, температура которых понижена примерно на 1500К по сравнению с окружающей атмосферой Солнца. Нарушение теплообмена в области пятен возникает в результате образования сильных кольцевых магнитных полей вокруг пятна. Солнечные пятна возникают в зонах турбулентности на границах слоев атмосферы Солнца, вращающиеся с различными скоростями [8].

Количество темных Солнечных пятен изменяется постоянно в среднем с 11летней периодичностью. За время своего существования размеры пятен постепенно увеличиваются, а в конце “жизни”- уменьшаются до полного исчезновения. Чем крупнее пятно, тем дольше оно “живет”. Темные пятна способны накапливать положительно заряженные ионы солнечной плазмы. Круговые магнитные поля темного пятна не только уменьшают теплообмен плазмы пятна с окружающей средой, но и препятствуют распространению заряженной плазмы внутри пятна по поверхности Солнца. В результате солнечные пятна накапливают положительный заряд в течение своей “жизни”. Накопленный положительный заряд внутри пятна, многократно увеличивает выброс электронов в околосолнечное пространство в виде мощного потока электронов, одновременно увеличивая концентрацию положительного заряда внутри пятна.

Плотность накопленного положительного заряда может достигать “критических значений”. В этом случае электрические силы отталкивания становятся больше сил гравитационного притяжения Солнца, что позволяет положительно заряженным ионам плазмы внутри пятна вылететь в околосолнечное пространство.

Этот процесс выброса заряженной плазмы, происходящий в виде взрыва с большим выделением электромагнитной энергии, называют Солнечной вспышкой. Таким образом, темные солнечные пятна накапливают и выбрасывают положительно заряженную плазму в околосолнечное пространство, уменьшая избыточный положительный заряд атмосферы Солнца (рис 4).

Солнечные вспышки бывают разными по мощности и имеют свою классификацию.

Постепенное увеличение положительного заряда хромосферы Солнца вызывает также увеличение числа солнечных “спикул”, и их мощности (см рис. 1), особенно внутри темных солнечных пятен (активная область).

Положительно заряженные ионы хромосферы, образующие “спикулы”, с увеличением Солнечной активности увеличивают радиально направленную скорость выброса. Многократно ионизированные положительные ионы, входящие в состав “спикул”, способны преодолеть силы притяжения Солнца и вылететь в окружающие пространство (рис 3).

Рис. 3. Солнечная вспышка

В результате “Солнечной вспышки“ часть положительно заряженной плазмы хромосферы Солнца, входящей в состав “спикул” выбрасывается в окружающее пространство (рис. 3 А, Б, В).

На рис. 3А мы наблюдаем удлинение “спикулы” радиально от поверхности хромосферы Солнца. На рис. 3Б – отрыв плазмы “спикулы” от хромосферы Солнца. На рис. 3В – выброс плазмы “спикулы” в окружающие пространство. Такие вспышки происходят с относительно не большим выбросом массы и электромагнитной энергии.

Развитое солнечное пятно способно накопить до критической плотности большое количество плазмы внутри пятна. В этом случае Вспышка будет многократно сильнее. В октябре 2017 года ученые зафиксировали на Солнце сильнейшую вспышку, наивысшего класса активности X, ее мощности оценивается как Х8.2 (РИА “новости” от 10 октября 2017года).

Рис. 4. Выброс сгустка хромосферной плазмы в форме струи

На рис. 4 мы наблюдаем выброс сгустка хромосферной плазмы в околосолнечное пространство в форме “струи”. Радиально направленное движение заряженной плазмы, в соответствие с законами классической физики, порождает электрический ток подобно электрическому току в проводнике. Электрический ток образует вихревое трубчатое магнитное поле, подобно магнитному полю проводника, по которому идет электрический ток. В свою очередь магнитное поле вокруг движущегося сгустка заряженной плазмы формирует сгусток в форме “струи”. Чем больше радиальная скорость ионов плазмы, тем плотнее и тоньше “струя”. В случае падения радиальной скорости ионов плазмы магнитное поле формирующее “струю” ослабевает, и ионы плазмы рассеиваются в окружающем пространстве, образуя “облако”.

В дальнейшем подобные выбросы будем называть “джетами”

Итоги:

• В процессе “горения” в хромосфере звезды “Солнце” накапливается избыточный положительный электрический заряд.
• “Горение” Солнца сопровождается периодическими выбросами в окружающее пространство положительно заряженной хромосферной плазмы.
• Солнечная вспышка является одним из способов, с помощью которого Солнце освобождается от накопленного избыточного положительного электрического заряда.
• Причина циклической Солнечной активности – процессы накопления и сброса в околосолнечное пространство положительного заряженных ионов хромосферы Солнца, происходящие циклически с периодом примерно 11 лет.

Можно предположить, что горение всех типов звезд вызывает дисбаланс электрического заряда. В процессе горения звезды периодически выбрасывают в окружающее пространство часть хромосферы (положительно заряженные ионы).

 

2. Взрывы в молодых звездах

Процесс образования протозвезд малой массы сопровождается выбросом узконаправленных биполярных потоков вещества. Молекулярные потоки ассоциируются исключительно с протозвездами и молодыми звездами, и, следовательно, с областями звездообразования – гигантскими молекулярными облаками, например такими, как в туманностях Ориона и Тельца. Источники потоков, как правило, погружены в плотные облака газа и пыли, скрывающие тайну процессов звездообразования. Облака и потоки имеют низкую температуру (10-90 К), что и обеспечивает существование молекул, в линиях которых наблюдаются эти объекты. На фоне родительского облака поток выделяется широкими крыльями молекулярных эмиссионных линий и биполярной структурой на карте скоростей облака. Исследование потоков в линиях СО, SO, SiO, CS, OH, NH, H CO, HCO и др. позволяет определить структуру, химический состав и физические параметры движущегося газа. Скорости движения газа в молекулярных потоках редко превосходят 30-40 км/с, хотя недавно обнаружены высокоскоростные молекулярные потоки (100 - 300 км/с), что превышает скорость звука в облаках [4].

  

А  

Б

Рис. 5. Молекулярные потоки

A) NASA Hubble Space Telescope views объекты HH-30 HH-34 HH-47.

Б) Компактные выбросы – пули в супермазерном источнике в Орионе КЛ, линии H2O [5].

Природу этого явления пока не удается объяснить. Тем не менее, похожее явление происходит с заряженной каплей жидкости в лаборатории – теоретически описанные Рэлеем в 1882 году [6].

Экспериментальное подтверждение получено группой ученых [7] из технического университета г. Ильменау (Германия). Капля этиленгликоля инжектировалась в электродинамический левитатор с помощью пьезоэлектрической дюзы, подобной тем, что используются в печатающих головках столь распространенных в наше время струйных принтеров. В левитаторе капля освещалась несфокусированным пучком лазера, что позволяло в реальном времени следить за размером капли и ее удельным зарядом. Рэлеевский предел достигался за счет испарения нейтральных молекул с поверхности капли, после чего резко возрастала амплитуда квадрупольной моды колебаний капли. Это служило сигналом к началу микрофотосъемки с заранее определенным временем задержки.

Рис. 6. Процесс разрушения капли этиленгликоля, заряженной до Рэлеевского предела (X=1), и формирования джетов [7]

Эксперимент был последовательно повторен для нескольких капель, каждая из которых была сфотографирована один раз. Время задержки постепенно увеличивалось, дабы запечатлеть процесс на разных стадиях. Как и предсказал Рэлей, капля сперва вытягивается в эллипсоид, выбрасывая струи брызг (джеты) из полюсов эллипсоида, а затем вновь обретает сферичность, см. рис. 6.

В таблице 2 представлены основные характеристики обоих случаев.

Таблица 2

Основным условием для образования схожего процесса в протозвездных системах является наличие мощного поверхностного электрического заряда. В процессе аккреции мы имеем большое количество электризованной пыли и ионизированного газа. В дальнейшем достаточно холодная внешняя оболочка звезды принимает на себя электрический заряд, вплоть до достижения критического уровня, за которым происходит ее срыв. Критический уровень может достигаться из-за гравитационного сжатия звезды – резкого уменьшения объема и поверхности. В этом случае, аналогично Рэлеевским брызгам, происходит деформация оболочки и выброс вещества. Процесс может повторяться, образуя серию выбросов – пули.

Таким образом, процесс образования протозвездных биполярных джетов очень похож на экспериментально полученные брызги Рэлея.

 

3. Взрывы в галактиках. Биполярные джеты

Процессы, происходящие в галактиках на сегодня, еще плохо изучены. Но, тем не менее, на фотографиях взрывов в галактиках хорошо заметны характерные биполярные выбросы заряда и массы, которые позволяют предположить, что дисбаланс электрического заряда здесь также имеет место.

А)

Б)

В)

Г)

Рис. 7. Выбросы – джеты в галактиках из архива NRAO (США)

А) Радиогалактика 3C31, VLA, NRAO

Б) Радиогалактика 3С296, 5 ГГц, VLA, NRAO+ наложена оптика

В) Радиогалактика Лебедь А, 5 ГГц, VLA, NRAO

Г) Квазар 3С175, 6 ГГц, VLA, NRAO

На рисунке 8 изображен выброс заряженной плазмы с поверхности звездных объектов с огромными радиальными скоростями – биполярные джеты, которые происходят в форме взрыва с большим выделением энергии, в результате гравитационного сжатия объекта. Вследствие уменьшения объема и поверхности объекта, плотность положительного поверхностного заряда на поверхности объекта достигает критических значений. И по аналогии с каплей этиленгликоля, электрические силы отталкивания положительных ионов на поверхности объекта становятся больше сил гравитационного притяжения. Происходит выброс части заряженной плазмы с поверхности объекта в окружающее пространство.

Заключение

Большинство звездных объектов в процессе “горения” (эволюции), согласно закону термоэлектронной эмиссии, выбрасывают в окружающее пространство потоки электронов. Одновременно они согласно закону сохранения электрического заряда, накапливают на внешней оболочке избыточный положительный заряд (положительные ионы). Взрывы звездных объектов, сопровождающихся выбросом в окружающее пространство заряженной плазмы, уменьшают избыточный положительный заряд, накопленный на поверхности.

Противодействие электрических сил отталкивания и гравитационных сил притяжения – основная причина космических взрывов, сопровождающихся выбросом материи в виде узконаправленных струй – джетов. Эти процессы наблюдаются в различных по масштабу объектах во Вселенной и сопровождаются выбросом заряженной плазмы в окружающее пространство, с выделением огромной электромагнитной энергии.