Плазма в глубинах Вселенной

Четвертое состояние вещества.
Часть пятая. Плазма в глубинах Вселенной

Несколько забегая вперед, расскажем сейчас о жизни плазмы в глубинах космического пространства. Ближайшим к нам сгустком плазмы является Солнце. Сегодня ученые уже могут уверенно сказать, что любой самостоятельно светящийся объект во Вселенной, будь то звезда или слабое пятнышко неправильной формы — так  называемая туманность, — состоит из плазмы.

Свет, излучаемый звездами, есть не что иное, как свечение плазмы, разогретой до очень высокой температуры. Температуры в недрах звезд могут достигать десятков миллионов градусов. Правда, наружные оболочки звезд значительно холоднее: их температуры могут составлять не более нескольких тысяч градусов. Именно это обстоятельство дало ученым возможность получить сведения о химическом составе звезд.

Однако при гигантских температурах в ведрах звезд ядра всех атомов совершенно «оголены» — в атомах нет электронов. Что же там светится? Оказывается, те же электроны, только уже свободные. С этим явлением ученые знакомы уже давно. Дело в том, что электроны могут излучать, то есть испускать фотоны, не только «прыгая» в атомах, но и вообще при любом изменении их движения, например, при его замедлении, то есть при уменьшении их энергии. Теряемая электронами при замедлении энергия и испускается в виде   фотонов. Только теперь это уже фотоны не видимого света, а более энергичные фотоны рентгеновских лучей. Именно так и рождаются рентгеновские лучи, когда электроны, разогнанные до огромных скоростей электрическим полем в рентгеновской трубке, резко тормозятся, ударяясь о мишень трубки, называемую анодом, или антикатодом. Поэтому излучение замедляющих свое движение электронов называется тормозным.

То же происхождение имеют рентгеновские лучи, существующие во внутренних слоях Солнца, где электроны.преимущественно свободны и тормозятся при столкновениях с более медленно движущимися атомными ядрами. При температурах же, существующих в поверхностных слоях звезд, в атомах находится  еще достаточно электронов, чтобы испускаемое   ими излучение было характерным для этих атомов, то есть представляло собой как бы их «визитные  карточки».

Разлагая свет звезд с помощью особых приборов  в спектр, можно по спектрам судить о присутствии тех или иных химических элементов в звезде, а по количеству линий в спектрах, их положению и ширине — также и о температуре поверхности звезды.

Очень интересные сведения дает свечение плазмы в туманностях, этих чрезвычайно разреженных и невообразимо огромных плазменных «облаках». Если наружные температуры звезд составляют тысячи градусов, то в туманностях вследствие крайней разреженности вещества в них температуры ионов близки к абсолютному нулю. Более энергичные свободные электроны, встречаясь с ионами туманностей, возбуждают их свечение, и хотя каждое такое столкновение случается раз во многие миллиарды лет, общее количество электронов И ионов в туманности столь колоссально, что она испускает вполне заметное свечение.

Но существует еще одна, даже, возможно, более важная причина свечения туманностей — испускание света самими свободными электронами. Оно имеет место только при чрезвычайно больших энергиях электронов и вызвано особым действием магнитных полей, существующих в туманностях. Как мы увидим дальше, магнитное поле может закручивать пути заряженных частиц, заставляя их, например, двигаться по окружностям. Известно, что вращательное движение является ускоренным. Вследствие этого электроны, как и при любом ускоренном движении, будут излучать фотоны. Подобное излучение можно наблюдать и в земных условиях в плазме, разогретой до очень высоких температур, если поместить ее в магнитное поле. Наблюдение такого излучения позволяет делать важные выводы о строении туманностей. Их свечение как бы проявляет картину существующих в туманностях магнитных полей, которые имеют волокнистую структуру.

Магнитные и электрические поля в туманностях очень слабы даже по сравнению со слабыми, земными полями, но частицы плазмы, блуждая в них многие миллиарды лет, то тормозясь, то ускоряясь, все же могут разгоняться до колоссальных скоростей, очень близких к скорости света. Вырываясь тогда из плена магнитных полей туманности, эти частицы разлетаются по всем направлениям. Приходящие на Землю потоки таких частиц и называются космическими лучами.