プラズマ宇宙論－4 技術概要 I
以下の専門用語の紹介は、プラズマ物理学への適切な洞察を提供するはずです。多くの疑問が残っているにもかかわらず、根底にある単純さが魅力的に見え、従来の宇宙観とはまったく異なる図像が浮かび上がり始めています。
太陽風
地球の磁場は、保護用の繭のような働きをします。この磁場の上と周囲には、太陽から放出される希薄だが持続的なプラズマ (陽子、電子、その他のイオン) の流れである太陽風が流れています。このプラズマの流れは、関連する電磁場とともに、地球自身の磁場を歪ませ、昼側では圧縮し、夜側では引き伸ばします。その結果生じる磁場は磁気圏と呼ばれます。
太陽はほぼ同量のイオンと電子を放出していると考えられているため、主流の学派では太陽風は電気的に中性であると考えられています。これは誤りです。実際には太陽風は巨大な双極性電流であり、主流が宇宙の電気を認めないことから、太陽風や太陽放射という用語が生まれました。
さらに、プラズマは太陽系内の広範囲にわたる磁力線と反応し、導電性流体が磁場を流れると、ダイナモが生成され、電流を流すために必要な電気エネルギーが相対運動から得られます。これは物理法則と一致しています。閉回路が存在し、一部が磁場を通過し、他の部分が通過しない場合、電流が発生します。これがダイナモの仕組みです。
磁気圏
磁力は日常生活ではあまり重要ではなく、検出するにはコンパスの針のような高感度の機器が必要です。これは、歩く地面から呼吸する空気まで、私たちが遭遇するほとんどの物質が電気的に中性であるためです。
しかし、地球の表面から 60 マイル以上の高度では、状況は大きく異なります。この高度の大気圏の周辺はプラズマで占められており、これが地球の磁場と反応して、エネルギーを帯びた粒子を誘導し、捕らえます。
これらの領域での激しい活動は、宇宙時代の最初の驚きの 1 つとして説明されることもあり、他の惑星の磁気圏の規模の大きさも、プラズマ モデルと一致しているにもかかわらず、多くの人を驚かせてきました。
磁気尾部
太陽風によって圧縮され閉じ込められている磁気圏の昼側とは対照的に、夜側は長い涙型の「磁気圏尾部」に引き伸ばされています。磁気圏のこの部分は非常に動的で、イオンと電子が頻繁に活性化されます (磁気圏尾部は極オーロラの主な発生源です)。
金星のプラズマ鞘は非常に長く、両惑星が最も接近したときには地球にほとんど触れるほどだ。NASAの天文学者たちは最近、ビルケランド氏の予測通り、尾の中に「糸状のもの」を発見した。
ビルケランド流
磁気擾乱は、通常、オーロラ帯の出現時に観測されます。これらは局所的で、赤道に向かって弱まるため、近くに電流が流れていることを示唆しています。もちろん、電流には閉回路が必要です。ビルケランド氏は、これらの電流はオーロラアークの一端から宇宙から流れ、もう一端から宇宙に戻り、地球に近づくと地面と平行に流れると提唱しました。
ビルケランドは1903年にオーロラ帯への探検から戻った後に初めてこの提案をし、1973年に米国海軍の衛星トライアドによって確認されました。その磁気計は、予想通り、オーロラ帯の朝側で下向き、夕方側で上向きの2つの大きな電流層を検出しました。各層は通常、100万アンペア以上の電流を流します。
木星とその衛星イオを結ぶ巨大なビルケランド電流は、1979年にボイジャー宇宙船によって記録されました。
1984 年、ファルハド・ユセフ・アズデ、ドン・チャンス、マーク・モリスは、銀河規模でビルケランド電流を発見しました。彼らは超大型干渉電波望遠鏡を使用して、天の川銀河の中心近くに約 120 光年の長さの電波放射の弧を発見しました。この構造は、通常 3 光年の幅の細いフィラメントで構成され、弧の全長にわたって伸びています。関連する磁場の強さは、このような大規模でこれまで考えられていたよりも 100 倍も強力ですが、磁場の形状と強さは、銀河形成のコンピューター シミュレーションとほぼ同じです。
現在のモード
プラズマ内の電流は、電圧と電荷密度に応じて、ダーク、グロー、アークの 3 つの基本モードをとります。実験室のガス放電管では、電圧と電荷密度が電極間で非線形に変化し、交互に暗い部分とグローの部分が生成されます。高電荷密度のアーク モードは、精密加工の業界で使用されています。
上で述べた金星のプラズマシースは現在ダークモードになっています。
Zピンチ
プラズマ宇宙は、らせん状または螺旋状になる傾向があるフィラメント内を流れる電子とイオンの渦巻く流れで構成されています。それらは、周囲に生成する磁場によって自らを挟み込みます。
これらのフィラメントは近距離では反発し、遠距離では引き合う傾向があります。しかし、近距離にある場合、フィラメント同士が螺旋状に絡み合うこともあります。この場合、フィラメント同士の間にプラズマ内の物質 (イオン化されているかどうかに関係なく) が圧縮される傾向もあります。これを Z ピンチ効果と呼びます。
フィラメントの大部分は遠くからは見えません。オーロラ放電を除いて、地球を周回するビルケランド電流が地表からは見えないのと同じです。
二重性
複数のフィラメントがペアで相互作用する傾向は電磁力の特徴であり、「二重性」と呼ばれることもあります。
この動作は、同じ方向の流れは引き合い、反対方向の流れは反発するというアンペールの法則またはビオ・サバールの力の法則に由来します。両者は距離に反比例して反発します。このため、2 つの質量間の重力よりもはるかに大きな相互作用の力が生じます。重力は引力のみで、距離の 2 乗に反比例して変化します。
電磁力の強さ
すべての物質は重力の影響を受けますが、プラズマは負に帯電した電子と正に帯電したイオンという構成要素から予想されるように、電磁力の影響をより強く受けます。実際、電磁力は 10^39 倍も強いのです。プラズマは、中性固体、液体、気体に見られるものよりもはるかに複雑な構造と動きを示します。プラズマは、ここで議論されている細胞状および糸状の構造を形成する傾向があります。
以下はA.ペラット博士のサイトから引用したものです。
「…しかし、おそらく電磁気学の最も重要な特徴は、それが宇宙で最も長距離にわたる力の法則に従うということである。
「2 つ以上の非プラズマ物体が重力的に相互作用する場合、その力の法則は物体間の距離の 2 乗に反比例して変化します。つまり、物体間の距離が任意の 2 測定単位離れている場合は引力は 1/4、距離が 3 単位離れている場合は引力は 1/9、4 単位離れている場合は引力は 1/16 というように変化します。」
「プラズマ、つまり荷電粒子の流れが電磁的に相互作用する場合、その力の法則はそれらの間の距離に反比例して変化します。つまり、任意の 2 測定単位離れている場合は引力は 1/2、距離が 3 単位離れている場合は引力は 1/3、4 単位離れている場合は引力は 1/4 というように変化します。したがって、任意の 4 距離単位離れている場合、相対的に言えば、電磁力は重力の 4 倍になり、100 単位離れている場合は、電磁力は重力の 100 倍になります。
「さらに、相互作用する流れが反対方向に流れている場合、電磁力は反発力となる可能性があります。したがって、銀河や星を運ぶメガパーセク単位で測定される巨大なプラズマの流れは、実際には反発しているにもかかわらず、何もないところへ落ちているように見えることがあります…」
| 「今日の宇宙学者の根底にある仮定は、最も洗練された数学的手法で展開されており、その理論がどれほど素晴らしいかを『理解』せず、絶対に従わないのはプラズマ自身だけだ。」ハンネス・アルヴェーン |
二重層
プラズマシースはラングミュアの研究室で発見され、現在では二重層と呼ばれています。
DL は、電気プラズマの最も重要な特性の 1 つ、つまり電気的に分離されたセクションまたはセルを形成する能力を指します。プラズマは優れた導体であり、高電界を維持できないため、自己組織化して保護シース (二重層) を形成します。このシース全体に電界の大部分が集中し、電気エネルギーの大部分が蓄えられます (コンデンサと非常によく似た動作をします)。
異物がプラズマ内に挿入されると、その周囲に DL が形成され、メインのプラズマから遮蔽されます。この効果により、特定の場所の電位を測定するために電圧検知プローブをプラズマ内に挿入することが困難になります。
二重層は電気エネルギーの爆発的な放出によって崩壊する可能性があります。ハンネス・アルヴェーンは、典型的な太陽フレアの DL 全体に数十億ボルトの電圧が存在する可能性があることを初めて示唆しました。
磁場を地図に描き、宇宙には電気が存在しない（あるいはほとんど存在しない）と仮定する天体物理学者は、不可解なことに、その存在に気づいていないようだ。彼らは、「磁気再結合」から「凍結した磁力線」まで、さまざまな機械的装置を仮定している。
| 「初めにプラズマがあった。」 ハンネス・アルヴェーン |
「凍結した磁場」
「凍結された磁場」という神話は、アルヴェーンが何年も前にそれを否定したにもかかわらず、今でも時折主流派の中に頭をもたげます。長年、プラズマは完全な導体であり、したがって、あらゆるプラズマ内の磁場は内部で「凍結」されているはずであると考えられてきました。
この基本的な技術的理由は、マクスウェル方程式の 1 つから生じました。すべてのプラズマが理想的な導体である場合、プラズマには電界 (内部の電圧差) は存在できず、したがってプラズマ内の磁場は「凍結」され、いかなる形でも移動したり変化したりできないと考えられていました。
アルヴェンのおかげで、プラズマ内の異なる地点間には電圧差が存在する可能性があることが分かりました。彼は1970年にノーベル物理学賞を受賞した際の受賞スピーチでこの点を指摘しました。プラズマを含むあらゆる物質の電気伝導性は、物質内の利用可能な電荷キャリア（イオン）の密度と、これらのキャリアの移動度という2つの要素によって決まります。どのプラズマでも、イオンの移動度は極めて高くなっています。電子とイオンは空間内を非常に自由に動き回ることができます。しかし、プラズマの圧力が非常に低いか拡散している場合、電荷を運ぶために利用可能なイオンの濃度はまったく高くない可能性があります。つまり、プラズマは優れた導体ではありますが、完璧ではありません。したがって、弱い電場がプラズマ内に存在する可能性があり、磁場はプラズマ内で固定されていません。
「愚かさで十分に説明できるものを悪意に帰してはならないが、悪意を否定してはならない。」ハインラインの剃刀
「磁気再結合」
「磁場で凍結」という神話と同様に、磁気再結合は従来の天文学のもう一つの華やかな発明です。これはまた、電流は宇宙には流れないという誤解から生じる異常を説明しようとしています。
実際には、これはよく理解されているプラズマ現象であり、爆発する二重層と放電に関連しています。天文学者は、磁気再結合が発生すると、それに関連して電子が枯渇した空間領域が存在するように見えることに気付きました (電流)。彼らはまた、エネルギーの放出を加速する 2 層の粒子の流れが生成されることにも気付きました (二重層)。
電気工学の元教授ドン・スコットはここでこの問題についてさらに詳しく説明している。
「マグネター」
マグネターは、「凍結された」磁場と「磁気再結合」に基づいた星の数学的モデルです。これ以上説明する必要があるでしょうか? 数学は正しいかもしれませんが、それが現実を反映していることを保証するものではありません。
プラズマ宇宙学者は、磁場は単独で存在するものではなく、電流によって誘導されるものであることを知っています。マグネターには強力な電流が流れているはずであり、この電流は回路の一部であるはずです。すべての電気回路は閉じている必要があるからです。
| 「磁気再結合は疑似科学だ」ハンネス・アルヴェーン |
発電
プラズマは優れた導体ではあるものの、完全な導体ではないため、電流を運ぶ能力は電線に似ています。導体が磁場を切断すると、その導体に電流が流れることはよく知られています。これが発電機や交流発電機の仕組みです。
たとえば銀河の腕にある宇宙プラズマと、同じ場所にある磁場との間に相対的な動きがあれば、プラズマ内に電流が流れます。これらの電流は、次に、独自の磁場を生成します。
1986 年、ハンネス・アルヴェンは銀河と太陽の両方のスケールで電気モデルを提唱しました。物理学者のウォル・ソーンヒルは、アルヴェンの回路は、多くの家庭で電力量計として使われているおなじみの単極モーターの拡大版であると指摘しました。また、最近では、月イオと巨大惑星木星の相互作用がダイナモに例えられています。
銀河が外部からの電力を必要とするかどうかについてはまだ議論が続いていますが、宇宙全体に巨大な電流が流れていることを誰が合理的に否定できるでしょうか。この単純な事実は、あとどれくらい見過ごされ、否定されるのでしょうか。
確かに、宇宙の電流は磁場よりも測定が難しいかもしれないが、「真実はそこにある」のだ。
「特定のプラズマ領域における現象を理解するには、磁場だけでなく電場と電流もマッピングする必要があります。」ハンネス・アルヴェーン
プラズマのスケーリング
プラズマ現象はスケーラブルです。その電気的および物理的特性は、プラズマのサイズに関係なく同じままです。もちろん、実験室のプラズマでは、たとえば銀河スケールよりもはるかに速く物事が起こりますが、現象は同じであり、同じ物理法則に従います。
言い換えれば、私たちは宇宙規模のプラズマの挙動の正確なモデルを研究室で作成し、宇宙で観測されるものを模倣した効果を生み出すことができます。プラズマ現象は 14 桁まで拡大できることが実証されています。(アルヴェーンは 28 桁以上に拡大できると仮説を立てました!)
観測される天文現象のほとんどはプラズマ内を流れる電流によって生じますが、重力と磁気だけが作用する力であると仮定した場合、これらの現象は説明できません。
プラズマシミュレーション
世界的に有名な電気技師、アンソニー C. ペラット博士は、ノーベル賞受賞者ハンネス アルヴェーンの大学院生で、長年プラズマ シミュレーションに取り組んできました。プラズマ物理学の第一人者であるこの人物の詳細については、リンク ページをご覧ください。
彼はスーパーコンピュータの能力を利用して、マクスウェル・ローレンツ方程式（電場と磁場の力と相互作用を支配する基本法則）を巨大な荷電粒子集団に適用しました。彼はこれを PIC（Particle In Cell シミュレーション）と呼んでいます。その結果は、実際の銀河の画像とほとんど区別がつきません。
ペラット不安定性
世界的に有名な電気技師、アンソニー C. ペラット博士は、ノーベル賞受賞者ハンネス アルヴェーンの大学院生で、長年プラズマ シミュレーションに取り組んできました。プラズマ物理学の第一人者であるこの人物の詳細については、リンク ページをご覧ください。
彼はスーパーコンピュータの能力を利用して、マクスウェル・ローレンツ方程式（電場と磁場の力と相互作用を支配する基本法則）を巨大な荷電粒子集団に適用しました。彼はこれを PIC（Particle In Cell シミュレーション）と呼んでいます。その結果は、実際の銀河の画像とほとんど区別がつきません。
電磁流体力学
電気伝導性流体のダイナミクスの研究は、アルヴェーンが開拓した多くの分野のうちの 1 つであり、主流の分野ではおそらく彼の最もよく知られた貢献の 1 つです。
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