KOSMICKÁ PLASMA A HANS ALFÉN

Ve 20. století žádný vědec nepřispěl k našim znalostem o elektromagnetismu ve Vesmíru více než Hannes Alfvén (1908-1995). Jeho poznatky změnily obraz Vesmíru a odhalily hluboké účinky pohybu nabitých částic ve všech měřítkách pozorování. Uznání se však nikdy nedočkal a hlavní časopisy obvykle považovaly Alfvéna za outsidera a často jeho příspěvky odmítaly. Při zpětném pohledu mohou Alfvénovy potíže při získávání uznání jen zdůraznit setrvačnost institucionalizovaných myšlenek v přírodních vědách a připomenout nám překážky, kterým čelili všichni velcí vědečtí inovátoři v historii.

Alfvén, kterému byla v roce 1970 udělena Nobelova cena za přínos fyzice, se stal významným kritikem směrů v astronomii, kosmologii a astrofyzice. Ačkoli jistě neměl pravdu ve všem, co navrhoval, desetiletí kosmického výzkumu nakonec potvrdila jeho celoživotní pozorování a hypotézy, často s důsledky, které mnozí vědci zabývající se Vesmírem nechtěli slyšet. „Ve světě specializované vědy,“ napsal plazmový vědec Anthony Peratt, “byl Alfvén záhadou. Mnozí fyzikové ho považovali za kacíře, přesto Alfvén přispěl k fyzice, která se dnes uplatňuje při vývoji urychlovačů částicových svazků, řízené termonukleární fúze, hypersonických letů, raketového pohonu a brzdění vracejících se kosmických lodí.„¹

Alfvénův vliv však sahal daleko za hranice nových technologií. Velkou část svého života věnoval studiu plazmatu - vysoce vodivé, elementární formy hmoty, která se vyznačuje přítomností volně se pohybujících nabitých částic, nikoliv pouze elektricky neutrálních atomů. Normální plyny se zahříváním a částečnou ionizací stávají plazmatem, když určité procento atomů odevzdá jeden nebo více elektronů. Plazma, které se často nazývá „čtvrtým stavem hmoty“ po pevných látkách, kapalinách a plynech, dnes tvoří více než 99 % pozorovaného Vesmíru.

Alfven je uznávaným otcem „plazmové kosmolgie“, nového způsobu pohledu na formativní procesy na obloze. Zastánci plazmové kosmologie předpokládají, že obrovské, ale neviditelné elektrické proudy hrají zásadní roli v organizaci kosmické struktury, od galaxií a galaktických kup až po hvězdy a planety. Hypotéza velkého třesku, černé díry, temná hmota a temná energie jsou jen některé z dnes populárních kosmologických témat, které vědci pracující s touto novou perspektivou zpochybňují. Mnoho hlavních principů plazmové kosmologie vzešlo z laboratorních experimentů s plazmou a elektrickými výboji a byl to právě Alfvén, kdo ukázal, že chování plazmatu v laboratoři lze rozšířit do galaktických rozměrů - rozsáhlé oblasti plazmatu ve Vesmíru se chovají podobně jako plazma na Zemi.

Rozsáhlost ignorování kosmických elektromagnetických efektů v kosmologii podtrhuje skutečnost, že elektrická síla mezi nabitými částicemi je asi 39 řádů (tisíc bilionů bilionů bilionů bilionů)krát silnější než gravitační síla. Ve srovnatelném měřítku je gravitace nepochopitelně slabá; ruční magnet zvedne malou kovovou kouli proti celé gravitaci Země. Alfvénova dokumentace laboratorních experimentů s plazmou nakonec znemožnila ignorovat roli elektřiny ve Vesmíru. Vysvětlil polární záře na základě prací svého předchůdce Kristiana Birkelanda, správně popsal Van Allenovy radiační pásy, identifikoval dříve nepoznané elektromagnetické vlastnosti zemské magnetosféry, vysvětlil strukturu ohonů komet a mnoho dalšího.

Raný život

Hannes Olof Gösta Alfvén se narodil 30. května 1908 ve švédském Norrköpingu. Astrofyzik Carl-Gunne Fälthammar, pravděpodobně Alfvénův nejbližší kolega, uvádí dva zážitky z dětství, které ovlivnily jeho intelektuální vývoj a nakonec i vědeckou kariéru.² Jedním z nich byla kniha Camilla Flammariona o populární astronomii, která v něm vyvolala celoživotní fascinaci astronomií a astrofyzikou. Druhou byla jeho aktivní role ve školním radioklubu, která zahrnovala stavbu radiopřijímačů. Jeho přirozené nadání pro elektroniku se projevilo již v raném věku a pokračovalo i během jeho formálního vzdělávání. „...Jako vědec,“ píše Fälthammar, „měl Hannes sklon dívat se na astrofyzikální problémy z elektromagnetického hlediska, což se ukázalo jako velmi plodné.“

Ještě jako postgraduální student napsal Alfvén práci interpretující zdroj kosmického záření. Článek předložil významnému vědeckému časopisu Nature, který jej v roce 1933 publikoval. V tomto Alfvénově prvním recenzovaném článku je vidět jeho raná důvěra v laboratorní experimenty jako ukazatele událostí ve Vesmíru. Alfvén získal v roce 1934 doktorát z teoretické a experimentální fyziky na univerzitě v Uppsale ve Švédsku. K raným vrcholům jeho akademické kariéry, která začala v roce jeho doktorátu, patří výuka fyziky na univerzitě v Uppsale a ve švédském Nobelově institutu pro fyziku. Později působil jako profesor elektromagnetické teorie a elektrických měření na Královském technickém institutu ve Stockholmu. Mnoho let působil jako vedoucí katedry elektroniky, jejíž název byl v roce 1963 změněn na „katedru fyziky plazmatu“. Než se přestěhoval do Spojených států, strávil nějaký čas také v Sovětském svazu. V USA působil na katedrách elektrotechniky na Kalifornské univerzitě v San Diegu i na Jihokalifornské univerzitě.

V roce 1937 Alfvén pozoroval, že nabité částice raritního plazmatu zřejmě prostupují mezihvězdným a mezigalaktickým prostorem. A vyslovil domněnku, že tyto pohyby částic jsou zodpovědné za zjištěná magnetická pole. O několik let později, na počátku 40. let, Alfvén navrhl, že Slunce a planety vznikly z oblaku ionizovaného plynu a že při těchto procesech „elektromagnetické síly byly důležitější než síly mechanické“. Poslední tvrzení spolu s dalšími důrazy na elektrické proudy Alfvénovu práci stavělo do přímého rozporu s kardinální zásadou astronomie na počátku kosmického věku - předpokladem, že pouze gravitace může vykonávat „skutečnou práci“ na mezihvězdných nebo mezigalaktických vzdálenostech.

Magnetohydrodynamika

Alfvénův zájem o magnetická pole položil základy dnešní magnetohydrodynamické teorie, kterou hojně využívají astrofyzikové. V původních formulacích této teorie Alfvén hovořil o magnetických polích „zamrzlých“ v neutrálním plazmatu a jím formulované magnetohydrodynamické rovnice předpokládaly, že elektrické proudy, které vytvářejí magnetická pole, lze účinně ignorovat. Proto bylo možné analyzovat činnost plazmatu na Slunci a ve vzdálenějším Vesmíru bez ohledu na větší oblast elektrických proudů nebo elektrických obvodů. Tato představa astronomy snadno zaujala a po určitou dobu si mysleli, že mají v geniálním elektroinženýrovi spojence. Přestože jeho „zásadní práce a objevy v oblasti magnetohydrodynamiky“ vedly v roce 1970 k udělení Nobelovy ceny, pozadí této události je paradoxní.

Po většinu 19. a 20. století většina astronomů a kosmologů předpokládala, že „vakuum“ ve Vesmíru nepropouští elektrické proudy. Později, když se zjistilo, že celý Vesmír je mořem elektricky vodivého plazmatu, teoretici obrátili svůj postoj a tvrdili, že jakákoli separace nábojů bude okamžitě neutralizována. Zde našli to, co hledali, v Alfvénových magnetických polích typu „frozen-in“ a v jeho magnetohydrodynamických rovnicích. Na elektrické proudy pak bylo možné pohlížet jako na přísně lokalizované a dočasné jevy - potřebné jen na tak dlouho, aby se vytvořilo magnetické pole, aby se zmagnetizovalo plazma, prakticky „dokonalý“ vodič.

Základní myšlenka spočívala v tom, že prostor mohl být magnetizován v prapočátcích nebo v raných fázích hvězdného a galaktického vývoje, a to vše pod kontrolou kinetiky vyššího řádu a gravitační dynamiky. Všechny události velkého rozsahu ve Vesmíru by se stále daly vysvětlit v termínech odpojených ostrůvků a k odhalení lokalizovaných elektromagnetických událostí by stačilo nahlédnout dovnitř „ostrůvků“ - nebylo by třeba žádných větších elektrických proudů nebo obvodů. Podle tohoto názoru, který je dnes populární, žijeme v „magnetickém Vesmíru“ (název několika nedávných knih a článků), ale ne v elektrickém Vesmíru. Přímo to vyjádřil významný fyzik Eugene Parker:

„...V referenčním rámci pohybující se plazmy nemůže vzniknout žádné významné elektrické pole.“³

Rozhodující obrat v tomto příběhu, část, která se v komunitě astronomů a astrofyziků téměř nikdy nevypráví, však spočívá v tom, že Alfvén si uvědomil, že se mýlil. Je ironií osudu - a je mu to ke cti -, že Alfvén využil příležitosti svého projevu při přebírání Nobelovy ceny k tomu, že prosil vědce, aby ignorovali jeho dřívější práci. Magnetická pole, řekl, jsou jen částí příběhu. Elektrické proudy, které vytvářejí magnetické pole, se nesmí přehlížet a pokusy modelovat kosmické plazma bez elektrických proudů povedou astronomii a astrofyziku ke krizi, řekl. Ve shodě s Alfénovými postřehy americký fyzik, profesor Alex Dessler, bývalý redaktor časopisu Geophysical Research Letters, poznamenává, že on sám se původně přiklonil k akademickému davu, který věřil, že elektrická pole nemohou ve vysoce vodivém kosmickém plazmatu existovat.

„Míru mého šoku a překvapení, když jsem zjistil, že Alfvén má pravdu a jeho kritici se mýlí, lze jen stěží popsat.„⁴

Při zpětném pohledu se zdá být zřejmé, že Alfvén považoval svůj raný teoretický předpoklad o magnetických polích ve zmrzlém stavu za svůj největší omyl, který v první řadě udržovali matematici přitahovaní Alfvénovými magnetohydrodynamickými rovnicemi. Alfvén poznal, že skutečné chování plazmatu je na vkus matematiků příliš „komplikované a těžkopádné“. Je to téma, které se „vůbec nehodí pro matematicky elegantní teorie“. Vyžaduje praktickou pozornost věnovanou dynamice plazmatu v laboratoři. Bohužel se podle něj plazmový Vesmír stal „hřištěm teoretiků, kteří nikdy neviděli plazma v laboratoři. Mnozí z nich stále věří ve vzorce, o nichž z laboratorních experimentů víme, že jsou chybné.“ Alfvén znovu a znovu opakoval - základní předpoklady dnešních kosmologů „jsou vypracovány těmi nejdokonalejšími matematickými metodami a je to jen plazma samotné, které ‚nechápe‘, jak jsou tyto teorie krásné, a naprosto se jim odmítá podřídit“.

Buněčná struktura a filamentace prostoru

Základní pravdou, kterou Alfvén postřehl, ale kterou zastánci jeho „magnetohydrodynamického“ modelu ignorují, je, že plazma v prostoru nemůže mít magnetické pole. V prostředí kosmického plazmatu jsou k vytvoření a udržení magnetického pole zapotřebí elektrické proudy.

„Pro pochopení jevů v určité oblasti plazmatu je nutné zmapovat nejen magnetické, ale také elektrické pole a elektrické proudy. Vesmír je vyplněn sítí proudů, které přenášejí energii a hybnost na velké nebo velmi velké vzdálenosti. Tyto proudy se často dělí na vláknové nebo povrchové proudy. Ty pravděpodobně dávají prostoru, včetně mezihvězdného a mezigalaktického prostoru, buněčnou strukturu.„⁵

Když Alfvén o těchto otázkách hovořil, byly samozřejmě elektrické proudy a buněčné konfigurace plazmatu ve Vesmíru prostě mimo záběr teoretické astrofyziky: „...Vesmír obecně má 'buněčnou strukturu',“ napsal a poznamenal, že buněčné stěny nejsou viditelné a lze je změřit pouze vysláním kosmické sondy skrz tyto nepřístupné oblasti. Na základě vlastního laboratorního výzkumu a s podporou prací nositele Nobelovy ceny Irvinga Langmuira a dalších si všiml, že hranice plazmatických buněk, nazývané „dvojité vrstvy“, mají tendenci izolovat oblasti uvnitř těchto buněk od oblastí vně.

Experimenty s plazmatem ukazují, že přes stěny těchto buněčných plášťů (dvojitých vrstev) mohou být přítomna silná elektrická pole, jejichž přítomnost je zásadní pro pochopení chování plazmatu. Ignorovat tuto buněčnou strukturu ve Vesmíru, poznamenal Alfvén, znamená předpokládat, že plazma v hlubokém Vesmíru „má vlastnosti, které se drasticky liší od toho, jaké jsou v našem okolí. To je samozřejmě mnohem nepříjemnější než naše neschopnost odhalit vzdálené 'buněčné stěny'. Proto je důkladná revize naší představy o vlastnostech mezihvězdného (a mezigalaktického) prostoru nevyhnutelným důsledkem nedávných magnetosférických objevů.„⁶

Hvězdné trysky

Ještě před nástupem kosmického věku si Alfvén uvědomil, že u hvězd se elektrické obvody projeví v rovníkových proudech a polárních proudech. Na základě laboratorních experimentů s plazmatem Alfvén poznamenal, že elektromagnetická energie může být uložena v rovníkovém prstenci hvězdy až do kritického okamžiku, kdy tato energie přejde do polárního výboje. Vzniklý proud by byl napájen dvojitou vrstvou urychlující částice - gravitace hvězdy by pak ustoupila nesrovnatelně silnější elektrické síle a urychlila by hmotu směrem od hvězdy. A nyní díky výkonnějším dalekohledům vidíme přesně to, co si Alfvén představoval. Jedním z pozoruhodných útvarů je objekt Herbig Harro (HH); takových objektů se nyní počítají stovky a jsou pozorovány dostatečně podrobně, aby zneplatnily všechny dřívější neelektrické teorie takových útvarů.

Nevyřešené záhady, s nimiž se potýká hlavní proud astronomie, byly zpopularizovány v „Astronomickém obrázku dne“ (APOD) 3. února 2006. Titulek identifikoval tento hvězdný proud jako „kosmické tornádo“ o délce světelných let, jehož plyny se pohybují rychlostí 100 km/s. Gravitační modely uváděné v astronomii dvacátého století samozřejmě nikdy nepředpokládaly úzké proudy čehokoli, které by se vzdalovaly od hvězdných těles. Ani gravitace, ani standardní plynové zákony by to neumožnily. Webové stránky Hubbleova kosmického dalekohledu přirovnávají vířící, pulzující a oscilující proudy k účinkům trysek postřikovačů trávníků:

„Materiál buď u hvězdy, nebo v její blízkosti se zahřívá a je vystřelován do Vesmíru, kde putuje miliardy kilometrů, než se srazí s mezihvězdným materiálem.⁷ Má hvězda schopnost vytvářet kolimované, vysoce energetické proudy na vzdálenost miliard kilometrů pouhým ‘zahříváním“ materiálu ve svém okolí? Hmota v proudu je horká a pohybuje se ve vakuu. Pokud bychom chtěli použít analogii s vodou, lepším příkladem by byla přehřátá parní hadice. Ta však nevytvoří proud páry na více než několik metrů, než se pára explozivně rozptýlí".

Stránka o Hubbleovi klade dvě další otázky: „Co způsobuje korálkovou strukturu trysky?„ a ‚Proč jsou trysky ‘výstřední?“ Ironií osudu tyto otázky přímo poukazují na dvě nejvýznamnější vlastnosti elektrických výbojů v plazmatu - „korálkovou“ a „výstřední nestabilitu“. Obě se vyskytují nejen v laboratorních experimentech s výboji, ale i v každodenním blesku na Zemi. Objekty Herbig Haro se nejen vymykají veškeré tradiční astrofyzice, ale výslovně potvrzují Alfvénovu vizi polárních výbojů hvězd. Axiální proudy, omezené toroidálním magnetickým polem vyvolaným proudem, proudí po celé délce trysky, což přesně odpovídá Alvénovým očekáváním. Pouze elektrické pole může urychlit nabité částice v mezihvězdném prostoru. Nedochází k žádné explozi podobné kanonu a na jednom konci není žádná „tryska“. Tryska definuje astrofyzikální objekty v zásadně nových pojmech a potvrzuje Alfvénovo podezření, které vyslovil před více než 60 lety, že mezihvězdný prostor žije elektrickými proudy.

Rentgenové záření a synchrotronové záření

Alfvénův pohled na Vesmír se radikálně lišil od hlavního proudu astronomie ještě předtím, než se elektromagnetické spektrum stalo bránou k objevům ve Vesmíru. V prvních letech kosmického věku se astronomové většinou spokojili s pozorováním objektů pouze ve viditelném světle. Horní vrstvy zemské atmosféry stínily povrch naší planety před většinou záření z vyšších částí spektra a nebylo mnoho důvodů očekávat širší spektrum elektromagnetického záření z Vesmíru. To se začalo měnit ve 30. letech 20. století, kdy inženýr Karel Jánský náhodou objevil existenci rádiových vln z Vesmíru. Zájem o kosmické teleskopy detekující ultrafialové, rentgenové a gama záření se nakonec z velké části zrodil díky postupným překvapením, jako bylo to Janského.

Intenzivní elektromagnetická aktivita v celém Vesmíru vyžaduje rozsáhlý komplex elektrických polí a elektrických obvodů, přesně jak Alfvén s jistotou předpověděl několik desetiletí předtím, než byly do Vesmíru vypuštěny nové teleskopy. Například před vypuštěním rentgenového dalekohledu Uhuru v roce 1970 znali astronomové pouze dva zdroje rentgenového záření na obloze - Corpius X-1 a Krabí mlhovinu. Rentgenové dalekohledy Chandra a XMM-Newton, které byly do Vesmíru vypuštěny nedávno, však začaly odhalovat rentgenovou aktivitu prakticky ve všech koutech Vesmíru, dokonce i v nejhlubším vakuu mezi galaxiemi. Rentgenové záření vyžaduje urychlení nabitých částic na rychlosti, které jsou daleko za možnostmi tepelné expanze nebo gravitačního urychlování. Je tedy pochopitelné, že většina astronomů rentgenový Vesmír nepředpokládala. Samozřejmě, že dnes běžně používáme elektrická pole k produkci rentgenového záření, a kdyby se Hannes Alfvén dožil nedávných výsledků, vůbec by ho to nepřekvapilo.

Na horní hranici elektromagnetického spektra, těsně nad rentgenovým zářením, pak leží vlnové délky gama záření. Název pro celý komplex elektromagnetických emisí - včetně gama záření - je „synchrotronové záření“, což je v lexikonu astronomů radikálně nový výraz. Takové záření produkují elektrony, které se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla, zatímco se spirálovitě pohybují podél magnetických polí. Magnetická pole vyžadují elektrické proudy - o této skutečnosti nelze rozumně pochybovat. Ironií osudu je, že Hannes Alfvén v roce 1950, tedy dávno před nástupem kosmického věku, předpověděl synchrotronové záření ve Vesmíru na základě elektrické interpretace galaktické aktivity. Astronomové si tehdy něco takového nedokázali představit. V roce 1987 však astronom Geoffrey Burbidge detekoval synchrotronové záření vyzařované velkolepým jetem podél osy galaxie zvané M87. A skutečnost, že tyto frekvence byly nyní hojně detekovány ve Vesmíru, je možná největším překvapením ze všech.

Jak každý elektrotechnik ví, urychlování nabitých částic se běžně dosahuje pomocí elektrických polí. Všudypřítomné synchrotronové záření z Vesmíru jednoduše potvrzuje, že izolované ostrůvky, jak si je představovala tradiční astrofyzika - neexistují. Ale specializované vzdělání astronomů naznačovalo, že elektřina není potřeba. V důsledku toho objev intenzivně energetických jevů ve Vesmíru vyvolal exotické a neověřitelné změny tradiční teorie - od „černých děr“ po „temnou hmotu“ a „neutronové hvězdy“ - všechny založené na jevech neznámých v našem praktickém světě a odtržených od jakéhokoli ověřitelného chování přírody.

Ačkoli jsou dějiny a praxe vědy často plné odmítání vědeckých „outsiderů“ a obstrukční věrnosti dogmatům, lze alespoň říci, že v posledních 40 letech astronomové neochotně přijali zcela jiný pohled na Vesmír, než s jakým začínali. A za to si nikdo nezaslouží větší uznání než "kosmický elektrikář" - Hannes Alfvén.

---------------------------------------------------------------

PRAMENY:

1. Anthony L. Peratt, “Dean of the Plasma Dissidents,” The World & I, May 1988, pp. 190-197
2. http://www.bibhasde.com/Alfven100.html
3. Eugene Newman Parker, Conversations on Electric and Magnetic Fields in the Cosmos (Prineceton, 2007), str.1.
4. Quoted in Anthony L. Peratt, “Dean of the Plasma Dissidents,” Washington Times, supplement: The World & I (May 1988), str. 195
5. Alfvén, H., Nobel lecture 1970, emphasis ours.
6. Alfvén, H., Cosmic Plasma, Chapter II: “Electric Currents in Space Plasmas.”
7. http://hubblesite.org/ newscenter/archive/releases/star/1995/24/background/results/50/