🦋 🏊 🤷🏻 Existe plasma no espaço? 🧑🏿‍🤝‍🧑🏻 🧘🏼 🤞🏾

Você já pensou sobre o que está contido no espaço interestelar ou intergaláctico? Existe um vácuo técnico no espaço e, portanto, nada está contido (não no sentido absoluto de que nada esteja contido, mas em um sentido relativo). E você estará certo, porque, em média, no espaço interestelar, cerca de 1000 átomos por centímetro cúbico e a grandes distâncias, a densidade da substância é insignificante. Mas isso não é tão simples e direto. A distribuição espacial do meio interestelar é não trivial. Além das estruturas galácticas gerais, como um jumper (barra) e braços espirais de galáxias, também existem nuvens frias e quentes separadas cercadas por gás mais quente. O meio interestelar (MLM) possui um grande número de estruturas: nuvens moleculares gigantes, nebulosas de reflexão, nebulosas protoplanetárias, nebulosas planetárias, glóbulos, etc. Isso leva a uma ampla gama de manifestações e processos observacionais que ocorrem no meio. A lista abaixo lista as estruturas presentes no MS:

Gás coronal
Áreas brilhantes HII
Zonas de baixa densidade HII
Ambiente em nuvem
Áreas quentes HI
Condensação Maser
Oi nuvens
Nuvens moleculares gigantes
Nuvens moleculares
Glóbulos

Não entraremos em detalhes agora que existe toda estrutura, pois o tópico desta publicação é plasma. O seguinte pode ser atribuído às estruturas do plasma: gás coronal, regiões HII brilhantes, regiões HI quentes, nuvens HI, ou seja, quase toda a lista pode ser chamada de plasma. Mas, você objeta, o espaço é um vácuo físico, e como pode haver um plasma com essa concentração de partículas?

Para responder a essa pergunta, é necessário definir: o que é plasma e por quais parâmetros os físicos consideram esse estado da matéria como plasma?
De acordo com os conceitos modernos de plasma, este é o quarto estado de uma substância gasosa, altamente ionizada (o primeiro estado é sólido, o segundo é líquido e, finalmente, o terceiro é gasoso). Mas nem todo gás, mesmo ionizado, é um plasma.

O plasma é composto de partículas carregadas e neutras. Partículas com carga positiva são íons e orifícios positivos (plasma de estado sólido), e partículas com carga negativa são elétrons e íons negativos. Primeiro de tudo, você precisa conhecer a concentração de um tipo específico de partícula. Um plasma é considerado fracamente ionizado se o chamado grau de ionização for igual a

r = N_{e} / N_{n}

$r = N_e / N_n$

onde

N_{e}

$N_e$ É a concentração de elétrons,

N_{n}

$N_n$ - a concentração de todas as partículas neutras no plasma situa-se na gama

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

$(r <10 ^ {- 2} - 10 ^ {- 3})$ . Um plasma totalmente ionizado possui um grau de ionização

r a i n f t y

$r \ a \ infty$

Mas como foi dito acima, que nem todo gás ionizado é um plasma. É necessário que o plasma possua a propriedade de quase neutralidade , isto é, em média, por períodos de tempo suficientemente grandes e a distâncias suficientemente grandes, o plasma era geralmente neutro. Mas quais são esses intervalos de tempo e distância em que o gás pode ser considerado plasma?

Portanto, o requisito de quase-neutralidade é o seguinte:

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

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

Vamos primeiro descobrir como os físicos estimam a escala de tempo da separação de carga. Imagine que algum elétron no plasma se desvie de sua posição de equilíbrio original no espaço. A força de Coulomb começa a atuar no elétron, esforçando-se para retornar o elétron a um estado de equilíbrio, ou seja,

F a p r o x i m a d a m e n t e e^{2} / {r^{2}}_{c p}

$F \ aproximadamente e ^ 2 / {r ^ 2} _ {cp}$ onde

r_{W e d}

$r_ {Wed}$ É a distância média entre elétrons. Essa distância é aproximadamente estimada da seguinte forma. Suponha que a concentração de elétrons (ou seja, o número de elétrons por unidade de volume) seja

N_{e}

$N_e$ . Os elétrons estão, em média, a uma distância um do outro

r_{W e d}

$r_ {Wed}$ , então eles ocupam o volume em média

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

$V = \ frac {4} {3} \ pi r_ {cp} ^ 3$ . Portanto, se houver 1 elétron neste volume,

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

$r_ {cp} = (\ frac {3} {4 \ pi N_e}) ^ {1/3}$ . Como resultado, o elétron começará a oscilar próximo à posição de equilíbrio com uma frequência

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

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

Fórmula mais precisa

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

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

Essa frequência é chamada frequência eletrônica de Langmuir . Foi divulgado pelo químico americano Irwin Langmuir, Prêmio Nobel de Química "para descobertas e pesquisas no campo da química dos fenômenos de superfície".

Assim, é natural considerar o recíproco da frequência de Langmuir como a escala de tempo da separação de cargas.

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

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

No espaço, em grande escala, ao longo do tempo

t >> t a u

$t >> \ tau$ as partículas produzem muitas vibrações em torno da posição de equilíbrio e o plasma como um todo será quase neutro, ou seja, em termos de escala de tempo, o meio interestelar pode ser confundido com plasma.

Mas também é necessário avaliar as escalas espaciais para mostrar com precisão que o cosmos é um plasma. Por considerações físicas, fica claro que essa escala espacial é determinada pelo comprimento pelo qual a perturbação da densidade das partículas carregadas devido ao seu movimento térmico durante um tempo igual ao período das oscilações do plasma pode mudar. Assim, a escala espacial é igual a

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}

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

onde

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

$\ upsilon_ {Te} = \ sqrt {\ frac {kT_e} {m}}$ . De onde veio essa maravilhosa fórmula, você pergunta. Vamos raciocinar assim. Os elétrons no plasma na temperatura de equilíbrio do termostato se movem constantemente com energia cinética

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

$E_k = \ frac {m \ upsilon ^ 2} {2}$ . Por outro lado, a lei da distribuição uniforme de energia é conhecida da termodinâmica estatística e, em média, cada partícula possui

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

$E = \ frac {1} {2} kT_e$ . Se compararmos essas duas energias, obtemos a fórmula de velocidade apresentada acima.

Então, temos o comprimento, que na física é chamado raio ou comprimento eletrônico de Debye .

Agora vou mostrar uma derivação mais rigorosa da equação de Debye. Mais uma vez, imagine N elétrons que são deslocados por uma certa quantidade sob a influência de um campo elétrico. Nesse caso, uma camada de carga espacial com densidade igual a

s u m e_{j} n_{j}

$\ sum e_j n_j$ onde

e_{j}

$e_j$ É a carga de um elétron,

n_{j}

$n_j$ É a concentração de elétrons. Da eletrostática, a fórmula de Poisson é bem conhecida

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}

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

Aqui

e p s i l o n

$\ epsilon$ - constante dielétrica do meio. Por outro lado, os elétrons se movem devido ao movimento térmico e os elétrons são distribuídos de acordo com a distribuição de Boltzmann

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

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

Substituímos a equação de Boltzmann na equação de Poisson, obtemos

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})

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

Esta é a equação de Poisson-Boltzmann. Expandimos o expoente nessa equação em uma série de Taylor e descartamos quantidades de segunda ordem e superiores.

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

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

Substitua essa expansão na equação de Poisson-Boltzmann e obtenha

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}

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

Esta é a equação de Debye. Um nome mais preciso é a equação de Debye-Hückel. Como descobrimos acima, em um plasma, como em um meio quase neutro, o segundo termo nesta equação é igual a zero. No primeiro termo, temos essencialmente o comprimento de Debye .

No meio interestelar, o comprimento de Debye é de cerca de 10 metros, no meio intergalático

10^{5}

$10 ^ 5$ metros. Vemos que essas são quantidades bastante grandes, comparadas, por exemplo, com dielétricos. Isso significa que o campo elétrico se propaga sem atenuação nessas distâncias, distribuindo as cargas em camadas carregadas a granel, cujas partículas oscilam em torno das posições de equilíbrio com uma frequência igual a Langmuir.

Neste artigo, aprendemos duas quantidades fundamentais que determinam se um meio espacial é plasma, apesar de a densidade desse meio ser extremamente pequena e o espaço como um todo ser um vácuo físico em escalas macroscópicas. Em escala local, temos gás, poeira ou plasma

Existe plasma no espaço?

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