プラズマ宇宙モデルとビルケランド電流の重要性
00:00 はじめに
00:36 プラズマ宇宙モデル
04:13 ビルケランド電流の重要性
04:51 フィラメント状構造
05:57 宇宙プラズマにおけるフィラメント構造の例
07:35 ビルケランド電流における二重層の形成
09:35 ピンチしたフィラメントからのシンクロトロン放射
11:45 隣接するフィラメント間の引力と斥力
プラズマ宇宙モデルとビルケランド電流の重要性
Plasma Universe Model & the Importance of Birkeland Currents
このエピソードでは、プラズマ宇宙とは何か、それを支配する基本原理のいくつかを探る。また、アントニー・ペラットが、ハンス・アルヴェーンの初期の研究の多くをどのように拡張し、銀河や銀河団の形成に関するいくつかの代替概念を探ったかを探りたい。
まず、プラズマ宇宙とは何かという基本的な概要から始め、宇宙プラズマのフィラメント状電流の側面について検討することにする。
プラズマと電磁力が重要な役割を果たす宇宙モデル
プラズマ宇宙モデル 00:36
この概念の起源は、1950年代以降に行われたプラズマの研究によって、プラズマの振る舞いに多くの驚きがあり、宇宙論的な現象との多くの共通点があることが明らかになったことにある。プラズマ宇宙論の重要な点は、観測された現在の状態から出発して、さらに古い時代まで時間をさかのぼって未知の事柄を既知の事柄から推定しようとする考え方である。
このことから、プラズマ宇宙論はビッグバンの考え方を否定していることが、まず重要なポイントになる。宇宙は膨張しておらず、ビッグバンから形成されたわけでもない。
現段階では、宇宙がどのように形成されたかについて明確な概念はないが、逆算して考えるという点に戻ると、これは最終目標であり、これを理解しようとすると、私たちが観測できる範囲から外側に働きかける必要がある。そして、これこそが彼らが注目した点なのだ。
プラズマ宇宙論は、実験室や磁気圏で観察できるプラズマ物理の基本法則や、太陽圏プラズマが星間・銀河間プラズマにも適用されるという考え方である。
宇宙空間は、エネルギーと運動量を膨大な距離にわたって伝達する電流のネットワークで満たされている。
これらの電流は、しばしばフィラメント電流や表面電流にピンチ（つまむ、締め付ける）する。これらのうち後者は、星間空間と銀河間空間の両方で細胞構造を生じさせることになる。
ある領域での現象を理解するためには、磁場だけでなく、最も重要な電場と電流のマッピングが必要である。二重層（ダブルレイヤー）、ビルケランド（バークランド）電流、臨界速度、ピンチ効果、電気回路の特性など、多くのプラズマ現象は、宇宙論的現象を理解する上で極めて重要である。
宇宙プラズマに関する我々の概念は、かなり変化している。古いパラダイムと新しいパラダイムの本質的な違いには、次のようなものがある。
地球磁気圏で荷電粒子をキロボルトのエネルギーに加速する電気二重層が知られるようになった。
磁化された宇宙プラズマのエネルギー移動を記述するためには、グローバルな電流の記述が必要であること。このことは、電流が流れる回路を描く必要性につながっている。また、このアプローチは、宇宙現象のシミュレーションにおいて、粒子電流を明確に追従させることができる離散粒子の記述を重視するものである。
磁気圏では、プラズマは能動的な状態と受動的な状態の両方で存在し、これはおそらくすべての宇宙プラズマに当てはまる。
宇宙プラズマは均質ではなく、フィラメント構造を示すことが多く、磁場と平行な電流と関連している可能性が高い。磁気圏では、磁化、密度、温度の異なる領域を隔てる薄い安定した電流層が存在する。また、部分的に電離したプラズマの中を電流が流れる場合、化学的な分離が起こることがある。このような効果もあり、宇宙プラズマは一般に化学組成の異なる領域に分離する傾向がある。
宇宙線源から測定された電波スペクトルと、高密度プラズマフォーカス（プラズマ ガンとも呼ばれる）やその他のパルスパワー実験装置のスペクトルが類似していることから、これらの現象を説明するためにプラズマ物理学が使用できるという考えに至った。
銀河系サイズのビルケランドフィラメント
導電性媒体中に電流を生じさせる起電力は、電流が磁力線に垂直に流れるときに発生する。
ビルケランド電流の重要性 04:13
ビルケランド電流がなぜ重要なのか、カール＝グンネ・フェルタマーが非常に素晴らしい説明をしている。
ビルケランド電流が特に興味深い理由は、それを運ばざるを得ないプラズマの中で、多くのプラズマ物理作用を引き起こすからである。これには波動、不安定性、微細構造形成が含まれる。これらの現象は、正負の荷電粒子の加速や、元素の分離といった結果をもたらす。この二つの現象は、私たちの住む地球の宇宙環境を理解する以上に、宇宙物理学的な関心を持つべきものである。
実験室のプラズマでのビルケランド電流
フィラメント状構造 04:51
プラズマ負荷を含むダイオードは、円筒形の同軸のパルス整形ラインの端にある
実験室では、高エネルギープラズマが示す一般的な形態として、フィラメント状構造がある。高密度プラズマフォーカス装置では、フィラメント状の磁気ロープのような構造をよく見かける。また、電子ビームを高分解能でエッチングした結果、高密度プラズマフォーカスでは数マイクロメートル、カソード電子ビームでは数センチメートルと、ほぼ同じ渦の形が観察された。
この４桁近い大きさの違いは、オーロラボルテックス（渦巻き）の記録と実験室データを直接比較すると、９桁近くまで拡大する。これらのフィラメントに流れる電流の大きさを調べると、電流フィラメントの微細な分解能では、ほぼ12桁にわたって区別できない渦のパターンを示し、粗い分解能では、この現象はおそらくマイクロアンペアからマルチメガアンペアの電子ビームまで、少なくとも14桁を超越していることがわかる。
宇宙プラズマのビルケランド電流
私たちの知る限り、宇宙低密度プラズマの多くもフィラメント構造を示している。
宇宙プラズマにおけるフィラメント構造の例 05:57
例えば、以下のような宇宙プラズマでは、フィラメント構造が見られるが、これらはすべて電流に関連しているか、または関連している可能性がある。オーロラでは、磁場と平行にフィラメントが形成されているのがよく観察される。これらは約100mまでの大きさを持っている。
(a)ZmudaとArmstrongの測定結果から回路を構成した。 (b)二重層の詳細
逆Ｖイベントや磁気圏の強電界をその場で測定することで、フィラメント構造の存在を実証している。これらは105から106アンペアの電流を流し、108mの距離に及ぶと思われる。
金星の電離層では、約20km、2×104mのフラックスロープが観測されている。
太陽では、プロミネンス、スピキュール、コロナストリーマー、極域プルームのすべてがフィラメント構造を示している。プロミネンスには、1011アンペア程度の電流が流れていると考えられている。
彗星の尾は、しばしば顕著なフィラメント構造を持つ。
星間物質や星間雲には、フィラメント構造が豊富に存在する。
銀河の中心部では、ねじれたプラズマフィラメントがあり、方位角とポロイダル（磁場などが極方向の）成分を持つ磁場によって結合されているようだ。これらは500光年近くにわたって伸びており、5 x 1018m の大きさである。
二重電波銀河の電波の明るいローブ内では、フィラメントの長さが20kpcまたは6×1020mを超えることがある。
ビルケランド電流内での二重層の形成 07:35
磁化された非均質な天体物理プラズマでは、磁場と整列した電場を発生させることができる多くのメカニズムが存在する。これには、波動粒子相互作用による異常な抵抗率、エネルギー依存の波動粒子相互作用による無衝突熱電効果、捕捉粒子と磁場勾配による磁気ミラー効果、局所的な電荷分離をもたらす電気二重層などが含まれる。これらはすべて実験室で研究され、コンピュータでシミュレーションされたが、中性プラズマに有意の電位差を生じさせるのに、際立って多く見られるのは、最後のメカニズムである。この二重層はビルケランド電流と強く関連しているようだ。
実験とコンピュータシミュレーションの両方で、電流を運ぶプラズマの柱やフィラメントに沿って一連の二重層が形成されることが示されている。隣接するビルケランド電流フィラメントに二重層が形成されると、電界が発生し、その領域内の電子を加速する役割を果たす。
ペラットは「プラズマ宇宙の進化」という論文の中で、宇宙プラズマの研究を、三次元の完全電磁気的かつ相対論的な粒子細胞内シミュレーションによって、銀河系サイズの幅50kpcのビルケランドフィラメントの場合にも拡張しようと考えた。
シミュレーションモデルは、磁場が整列した中性プラズマフィラメントを、磁場が整列した電場の存在下でモデル化するものである。相互作用するフィラメントの進化を調べるために、二番目のフィラメントを一番目のフィラメントに隣接して配置した。
彼は、六つものフィラメントの相互作用を調査した。
フィラメント間の1/rの力により、宇宙プラズマ現象の大部分は、最も近いフィラメント間の二つ、あるいはせいぜい三つの相互作用の結果であると思われた。
これらは、1/Rで落ちる長距離の引力となる。
近距離では、1/r4で落ちる斥力が発生する。
ピンチしたフィラメントからのシンクロトロン放射 09:35
ベネット・ピンチド・フィラメントからのシンクロトロン放射
粒子加速器で達成可能なエネルギーを制限する最も重要なプロセスのひとつは、ベータトロンやシンクロトロンの磁場によって加速された電子による放射損失である。
このメカニズムは、アルヴェーンとハーロフソンによって初めて天文学者に注目された。
当時、プラズマ、磁場、実験室物理は、島宇宙や銀河に満ちた宇宙とはほとんど関係がないと考えられていたため、これは驚くべき提案であった。
シンクロトロン放射の特徴は、シンクロトロン周波数の電子よりもかなり高い周波数の発生、臨界周波数を超えると強度が周波数とともに減少する連続スペクトル、ビームの指向性の増大、強く偏光した電磁波ベクトルである。
このメカニズムの発見により、多くの種類の天体に高エネルギー粒子が存在することが推測できるようになり、広範な磁場の証拠となり、最も重要なことは、宇宙プラズマにおいて膨大なエネルギーが実際に生成、蓄積、放出されている可能性があることを示したことである。
荷電粒子ビームが自己磁場によって保持されたり挟まれたりすることは、ベネットによる初期の研究以来、一般的な関心事となっている。このようなビームの巨視的なイメージは、熱圧力による膨張に対して自己矛盾のない（つじつまの合う）磁気的な閉じ込めや圧縮が行われていることを示している。
ミクロなスケールでは、個々の粒子軌道は、平均流方向のドリフトに重畳するローレンツ力による半径方向の振動を含んでいる。これがベータトロン振動である。これは粒子の加速を意味するため、電磁波が発生する。
力はv×B力であるため、相対論的な電子からの放射はシンクロトロン放射となる。実験室での実験では、放射線バースト時の放射プラズマの形態は、ヘリカルとフィラメントの両方がある。
隣接するフィラメント間の引力と斥力 11:45
この形状は、電磁気的に相互作用する二本のワイヤーがある場合にのみ発生する。つまり、最初は二本の柱状の物は互いに引き合うことになる。二本のフィラメントが相互作用するコンピュータシミュレーションでは、柱間の引力が反発力を引力に匹敵させる距離まで離すと、放射線のバーストが発生することがわかった。
シミュレーションでは、この距離はピンチの半径数個分のオーダーに相当する。このような二つのビルケランド電流の相互作用については、次回のビデオでご紹介する。
──おわり
参照
●プラズマ物理学講義レジュメ
●ピンチ（プラズマ物理学）
●プラズマ宇宙論
●島宇宙
●ベータトロン振動
●フラックスロープ
●「プラズマ宇宙の進化。二重電波銀河、クエーサー、銀河系外ジェット」 Anthony Peratt.
最後までお読みいただき、ありがとうございました。