🤷🏽 🦏 🍸 Y a-t-il du plasma dans l'espace? 🔦 🛰️ 🏻

Avez-vous déjà pensé à ce qui est contenu dans l'espace interstellaire ou intergalactique? Il y a un vide technique dans l'espace, et donc rien n'est contenu (pas dans le sens absolu que rien n'est contenu, mais dans un sens relatif). Et vous aurez raison, car en moyenne dans l'espace interstellaire environ 1000 atomes par centimètre cube et à de très grandes distances, la densité de la substance est négligeable. Mais ce n'est pas si simple et direct. La distribution spatiale du milieu interstellaire n'est pas triviale. En plus des structures galactiques générales, comme un cavalier (barre) et des bras en spirale des galaxies, il y a aussi des nuages froids et chauds séparés entourés de gaz plus chauds. Il existe un grand nombre de structures dans le milieu interstellaire (MLM): nuages moléculaires géants, nébuleuses réfléchissantes, nébuleuses protoplanétaires, nébuleuses planétaires, globules, etc. Cela conduit à un large éventail de manifestations et de processus d'observation se produisant dans le milieu. La liste ci-dessous répertorie les structures présentes dans le MOH:

Gaz coronal
Zones claires HII
Zones de faible densité HII
Environnement cloud
Zones chaudes HI
Condensation Maser
Nuages salut
Nuages moléculaires géants
Nuages moléculaires
Globules

Nous n'entrerons pas dans les détails maintenant qu'il y a toutes les structures, puisque le sujet de cette publication est le plasma. Les éléments suivants peuvent être attribués aux structures plasmatiques: gaz coronal, régions HII lumineuses, régions HI chaudes, nuages HI, c.-à-d. presque toute la liste peut être appelée plasma. Mais, objectez-vous, l'espace est un vide physique, et comment peut-il y avoir un plasma avec une telle concentration de particules?

Pour répondre à cette question, il faut donner une définition: qu'est-ce que le plasma et selon quels paramètres les physiciens considèrent-ils cet état de la matière comme du plasma?
Selon les concepts modernes du plasma, il s'agit du quatrième état d'une substance à l'état gazeux, hautement ionisé (le premier état est un solide, le second est un état liquide et enfin le troisième est gazeux). Mais tous les gaz, même ionisés, ne sont pas un plasma.

Le plasma est composé de particules chargées et neutres. Les particules chargées positivement sont des ions positifs et des trous (plasma à l'état solide), et les particules chargées négativement sont des électrons et des ions négatifs. Tout d'abord, vous devez connaître la concentration d'un type particulier de particule. Un plasma est considéré comme faiblement ionisé si le soi-disant degré d'ionisation est égal à

r = N_{e} / N_{n}

$r = N_e / N_n$

où

N_{e}

$N_e$ Est la concentration d'électrons,

N_{n}

$N_n$ - la concentration de toutes les particules neutres dans le plasma se situe dans la plage

(r < 10^{- 2} - 10^{- 3})

$(r <10 ^ {- 2} - 10 ^ {- 3})$ . Un plasma entièrement ionisé a un degré d'ionisation

r t o i n f t y

$r \ to \ infty$

Mais comme cela a été dit ci-dessus, tous les gaz ionisés ne sont pas un plasma. Il est nécessaire que le plasma possède la propriété de quasi - neutralité , c'est-à-dire en moyenne, pendant des périodes suffisamment longues et à des distances suffisamment grandes, le plasma était généralement neutre. Mais quels sont ces intervalles de temps et de distance auxquels le gaz peut être considéré comme du plasma?

Ainsi, l'exigence de quasi-neutralité est la suivante:

s u m_{a l p h a} e_{a l p h a} N_{a l p h a} = 0

$\ sum _ {\ alpha} e _ {\ alpha} N _ {\ alpha} = 0$

Voyons d'abord comment les physiciens estiment l'échelle de temps de la séparation des charges. Imaginez que certains électrons du plasma s'écartent de leur position d'équilibre d'origine dans l'espace. La force de Coulomb commence à agir sur l'électron, s'efforçant de ramener l'électron à un état d'équilibre, c'est-à-dire

F e n v i r o n e^{2} / {r^{2}}_{c p}

$F \ environ e ^ 2 / {r ^ 2} _ {cp}$ où

r_ {mer}}

$r_ {mer}}$ Est la distance moyenne entre les électrons. Cette distance est approximativement estimée comme suit. Supposons que la concentration d'électrons (c'est-à-dire le nombre d'électrons par unité de volume) soit

N_{e}

$N_e$ . Les électrons sont en moyenne à distance les uns des autres

r_ {mer}}

$r_ {mer}}$ , donc ils occupent le volume en moyenne

V = f r a c 43 p i r_{c p}^{3}

$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ . Par conséquent, s'il y a 1 électron dans ce volume,

r_{c p} = (f r a c 3 4 p i N_{e})^{1 / 3}

$r_ {cp} = (\ frac {3} {4 \ pi N_e}) ^ {1/3}$ . En conséquence, l'électron commencera à osciller près de la position d'équilibre avec une fréquence

o m e g a a p p r o x s q r t f r a c F m r_{c p} a p p r o x s q r t f r a c 4 p i e^{2} N_{e} 3 m

$\ omega \ approx \ sqrt {\ frac {F} {mr_ {cp}}} \ approx \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {3m}}$

Formule plus précise

o m e g a_{L e} = s q r t f r a c 4 p i e^{2} N_{e} m

$\ omega_ {Le} = \ sqrt {\ frac {4 \ pi e ^ 2 N_e} {m}}$

Cette fréquence est appelée fréquence électronique de Langmuir . Il a été mis en évidence par le chimiste américain Irwin Langmuir, lauréat du prix Nobel de chimie "pour des découvertes et des recherches dans le domaine de la chimie des phénomènes de surface".

Ainsi, il est naturel de prendre l'inverse de la fréquence de Langmuir comme l'échelle de temps de séparation des charges

t a u = 2 p i / o m e g a_{L e}

$\ tau = 2 \ pi / \ omega_ {Le}$

Dans l'espace, à grande échelle, au fil du temps

t >> t a u

$t >> \ tau$ les particules font de nombreuses vibrations autour de la position d'équilibre et le plasma dans son ensemble sera quasi neutre, c'est-à-dire en termes d'échelle de temps, le milieu interstellaire peut être confondu avec le plasma.

Mais il est également nécessaire d'évaluer les échelles spatiales afin de montrer avec précision que le cosmos est un plasma. De considérations physiques, il est clair que cette échelle spatiale est déterminée par la longueur de laquelle la perturbation de la densité des particules chargées due à leur mouvement thermique sur une durée égale à la période des oscillations du plasma peut se déplacer. Ainsi, l'échelle spatiale est égale à

r_{D e} a p p r o x f r a c u p s i l o n_{T e} o m e g a_{L e} = s q r t f r a c k T_{e} 4 p i e^{2} N_{e}

$r_ {De} \ approx \ frac {\ upsilon_ {Te}} {\ omega_ {Le}} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {4 \ pi e ^ 2 N_e}}$

où

u p s i l o n_{T e} = s q r t f r a c k T_{e} m

$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ . D'où vient cette merveilleuse formule, demandez-vous. Nous raisonnerons ainsi. Les électrons dans le plasma à la température d'équilibre du thermostat se déplacent constamment avec l'énergie cinétique

E_{k} = f r a c m u p s i l o n^{2} 2

$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ . D'autre part, la loi de la distribution uniforme de l'énergie est connue de la thermodynamique statistique, et en moyenne chaque particule a

E = f r a c 12 k T_{e}

$E = \ frac {1} {2} kT_e$ . Si nous comparons ces deux énergies, nous obtenons la formule de vitesse présentée ci-dessus.

Donc, nous avons obtenu la longueur, qui en physique est appelée le rayon ou la longueur de Debye électronique .

Je vais maintenant montrer une dérivation plus rigoureuse de l'équation de Debye. Encore une fois, imaginez N électrons déplacés d'une certaine quantité sous l'influence d'un champ électrique. Dans ce cas, une couche de charge d'espace avec une densité égale à

s u m e_{j} n_{j}

$\ sum e_j n_j$ où

e_{j}

$e_j$ Est la charge d'un électron,

n_{j}

$n_j$ Est la concentration d'électrons. De l'électrostatique, la formule de Poisson est bien connue

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m e_{j} n_{j}

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_j$

Ici

e p s i l o n

$\ epsilon$ - constante diélectrique du milieu. D'autre part, les électrons se déplacent en raison du mouvement thermique et les électrons sont distribués selon la distribution de Boltzmann

n_{j} (r) = n_{0} e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e})

$n_j ({r}) = n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$

On substitue l'équation de Boltzmann dans l'équation de Poisson, on obtient

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m e_{j} n_{0} e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e})

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = - \ frac {1} {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum e_j n_0 \ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e})$

Il s'agit de l'équation de Poisson-Boltzmann. Nous développons l'exposant dans cette équation dans une série de Taylor et rejetons les quantités de second ordre et plus.

e x p (- f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e}) = 1 - f r a c e_{j} p h i (r) k T_{e}

$\ exp (- \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}) = 1 - \ frac {e_j \ phi ({r})} {kT_e}$

Substituer cette expansion dans l'équation de Poisson-Boltzmann et obtenir

b i g t r i a n g l e d o w n^{2} p h i (r) = (s u m f r a c n_{0 j} e_{j}^{2} e p s i l o n e p s i l o n_{0} k T_{e}) p h i (r) - f r a c 1 e p s i l o n e p s i l o n_{0} s u m n_{0 j} e_{j}

$\ bigtriangledown ^ 2 \ phi ({r}) = (\ sum \ frac {n_ {0j} e_ {j} ^ 2} {\ epsilon \ epsilon_0 kT_e}) \ phi ({r}) - \ frac {1 } {\ epsilon \ epsilon_0} \ sum n_ {0j} e_ {j}$

Ceci est l'équation de Debye. Un nom plus précis est l'équation Debye-Hückel. Comme nous l'avons vu plus haut, dans un plasma, comme dans un milieu quasi neutre, le deuxième terme de cette équation est égal à zéro. Dans le premier terme, nous avons essentiellement la longueur Debye .

Dans le milieu interstellaire, la longueur de Debye est d'environ 10 mètres, dans le milieu intergalactique environ

$inline$ mètres. On voit que ce sont des quantités assez importantes, comparées, par exemple, aux diélectriques. Cela signifie que le champ électrique se propage sans atténuation sur ces distances, répartissant les charges en couches chargées en vrac, dont les particules oscillent autour des positions d'équilibre avec une fréquence égale à Langmuir.

De cet article, nous avons appris deux quantités fondamentales qui déterminent si un milieu spatial est du plasma, malgré le fait que la densité de ce milieu est extrêmement petite et que l'espace dans son ensemble est un vide physique à des échelles macroscopiques. À l'échelle locale, nous avons du gaz, de la poussière ou du plasma

Y a-t-il du plasma dans l'espace?

More articles: