プラズマ宇宙論

プラズマ宇宙論は非標準的な宇宙論であり、その中心的仮説は、電離ガスとプラズマのダイナミクスが、星間および銀河間スケールの宇宙物理学において、支配的ではないにしても重要な役割を果たすというものである。^{[2] [1]} 対照的に、宇宙学者と天体物理学者の現在の観察とモデルは、大規模構造の形成、発達、進化を重力（アルバート・アインシュタインの一般相対性理論における定式化を含む）が支配的であると説明している。

この理論の原型であるアルヴェーン・クライン宇宙論は、1960年代から1970年代にかけてハンネス・アルヴェーンとオスカー・クラインによって発展させられ^[3]、物質と反物質が非常に大きなスケールで等量存在すること、宇宙はビッグバンによって時間的に制限されているのではなく永遠であること、観測可能な宇宙の膨張は宇宙インフレーションのようなメカニズムではなく物質と反物質の消滅によって引き起こされることを主張している^[1]。

プラズマ宇宙論を評価した宇宙学者や天体物理学者は、それが天体物理現象の観測や現在受け入れられているビッグバンモデルと一致しないという理由で、それを否定している。^[4] 1990年代半ば以降、プラズマ宇宙論を支持する論文はほとんど文献に登場していない。

プラズマ宇宙という用語は、プラズマ宇宙論の同義語として、宇宙のプラズマの別の説明として使用されることがあります。^{[1]プラズマ}宇宙論は、総称して電気宇宙と呼ばれる疑似科学的アイデアとは異なりますが、それぞれの支持者はお互いに共感していることが知られています。^{[5] [6]}これらの疑似科学的アイデアは多岐にわたりますが、 ^{[7]一般的には、電流が星に流れ込み、電球のように星に電力を供給していると主張しており、星が}核融合によって電力を供給されていることを示す確立された科学理論や観察と矛盾しています。^[8]

1960年代に、プラズマ宇宙論の理論は、 1970年に電磁流体力学の研究でノーベル物理学賞を受賞したプラズマの専門家、アルヴェン^[10]によって提唱された。^[11]彼は、プラズマスケーリングを使用して、実験室実験とプラズマ物理の観測結果を外挿し、宇宙で観測可能な最大の物体まで何桁もスケールすることを提案した（ボックス^[9]を参照）。^[12] 1971年、スウェーデンの理論物理学者オスカー・クラインは、以前の提案を拡張し、アルヴェン・クライン宇宙モデル^[13]、または「メタ銀河」を開発しました。これは、粒子の地平線を超えた部分を含む宇宙全体ではなく、経験的にアクセス可能な宇宙の一部を指すために使用された以前の用語です。 [ ^{14] [11]}

このモデルでは、宇宙は同量の物質と反物質で構成されており、物質と反物質の領域の境界は二重層によって形成される宇宙電磁場によって区切られています。二重層は、反対の電荷を持つ 2 つの平行な層を含む薄い領域です。これらの境界領域間の相互作用により放射線が生成され、これがプラズマを形成します。アルヴェーンは、物質と反物質で構成されるプラズマをアンビプラズマと呼び、二重層はアンビプラズマで形成されます。アルヴェーンによると、このようなアンビプラズマは、構成粒子と反粒子が高温で密度が低すぎて急速に消滅しないため、比較的長寿命です。二重層は、反対のタイプの雲をはじくように機能しますが、同じタイプの雲を結合して、物質と反物質の領域がますます大きくなります。アンビプラズマの概念は、重いアンビプラズマ（陽子-反陽子）と軽いアンビプラズマ（電子-陽電子）という形にさらに発展しました。^[10]

アルヴェン＝クライン宇宙論は、物質と反物質が完全に対称であるという初期条件から出発して、宇宙で観測される重粒子の非対称性を説明するために提唱された。アルヴェンとクラインによれば、アンビプラズマは自然に物質のポケットと反物質のポケットを形成し、境界の二重層で物質と反物質の消滅が起こるにつれて、外側に拡大する。彼らは、我々はたまたま反重粒子ではなく重粒子がほとんどであるポケットの1つに住んでいるに違いないと結論付け、これが重粒子の非対称性を説明した。物質または反物質のポケット、つまり泡は境界での消滅のために拡大するが、アルヴェンはこれを、はるかに大きな歴史の中の単なる局所的な段階である観測された宇宙の膨張の可能な説明と考えた。アルヴェンは、因果関係の議論とビッグバンのような無からのモデルを創造論の隠れた形として否定し、宇宙は常に存在していたと仮定した^{[15] [16]}。^{[17] [18]アルヴェンは、爆発する二重層が}宇宙線、 ^[19] X線バースト、ガンマ線バーストの発生メカニズムである可能性も示唆した。^[20]

1993年、理論宇宙学者ジム・ピーブルズはアルヴェン＝クライン宇宙論を批判し、「その結果が宇宙マイクロ波背景放射やX線背景の等方性と一致するはずがない」と書いた。^[21] 彼は著書の中で、アルヴェンのモデルがハッブルの法則、軽元素の豊富さ、宇宙マイクロ波背景の存在を予測しないことも示した。アンビプラズマモデルのさらなる難しさは、物質と反物質の消滅によって高エネルギー光子が生成され、予測された量は観測されないことである。局所的な「物質優位」セルが観測可能な宇宙よりも単純に大きい可能性はあるが、この命題は観測による検証には向かない。

ハンネス・アルヴェンは1960年代から1980年代にかけて、プラズマが宇宙で支配的ではないにしても重要な役割を果たしていると主張した。彼は、惑星間および星間荷電粒子に作用する電磁力は重力よりもはるかに重要であると主張した。^{[22]彼はさらに、電磁力が星}間雲の収縮を促進し、収縮の主なメカニズムを構成して星形成を開始する可能性があると仮説を立てた。^[23]現在標準的な見解は、磁場が崩壊を妨げる可能性があること、大規模なビルケランド電流が観測されていないこと、電荷中性の長さスケールが関連する宇宙スケールよりもはるかに小さいと予測されていることです。^[24]

1980年代から1990年代にかけて、アルヴェーンとロスアラモス国立研究所のプラズマ物理学者アンソニー・ペラットは、「プラズマ宇宙」と名付けたプログラムを概説した。^{[25] [26] [27]}プラズマ宇宙の提案では、さまざまなプラズマ物理現象が天体物理学の観測と関連付けられ、1980年代から1990年代の天体物理学における現代の謎や未解決の問題を説明するために使用された。ペラットはさまざまな場で、天体物理学や宇宙論で適用されている主流のモデルに代わる視点として特徴づけるものを概説した。^{[26] [27] [28] [16]}

例えば、ペラットは、銀河のダイナミクスに対する主流のアプローチは、暗黒物質を加えた銀河内の星とガスの重力モデルに依存しており、プラズマ物理学のおそらく大きな貢献を見落としていると主張した。彼は、銀河のように見えるプラズマ放電を作り出した1950年代のウィンストン・H・ボスティックの実験室実験に言及している。 ^{[29] [30]}ペラットは、衝突するプラズマ雲のコンピューターシミュレーションを行い、これも銀河の形を模倣したと報告した。^[31]ペラットは、銀河はプラズマフィラメントがZピンチで結合して形成され、フィラメントは30万光年離れて始まり、10 ^{18アンペアの}ビルケランド電流を運ぶと提案した。^{[32] [33]}ペラットはまた、中央緩衝領域から噴出する物質のジェットを示すシミュレーションを報告し、これを超大質量ブラックホールがなくても発生するクエーサーや活動銀河核と比較した。ペラットは銀河の進化の順序を「二重電波銀河から電波クエーサー、電波静穏QSO、特異銀河やセイファート銀河、そして最後に渦巻き銀河への移行」と提案した。^[34]彼はまた、暗黒物質なしで平坦な銀河の回転曲線がシミュレートされたと報告した。^[32]同時に、独立したプラズマ研究者でペラットのアイデアの支持者であるエリック・ラーナーは、高密度プラズマフォーカスに基づくクエーサーのプラズマモデルを提案した。^[35]

標準的な天文学のモデリングと理論は、観測された現象の記述と説明にすべての既知の物理学を取り入れようとしており、重力は天体力学と力学だけでなく、最も大きなスケールでも支配的な役割を果たしている。このため、ケプラーの軌道とアルバート・アインシュタインの一般相対性理論は両方とも、天体物理学のシステムと構造形成をモデリングするための基本的な枠組みとして一般的に使用されているが、高エネルギー天文学と宇宙論における粒子物理学は、X線とガンマ線で観測される比較的小規模のエネルギー過程を説明するために、プラズマ物理学と放射伝達を含む電磁気過程をさらに利用している。全体的な電荷の中性のため、プラズマ物理学は、宇宙の物質の多くがプラズマであるにもかかわらず、天体物理学において非常に長距離の相互作用を提供しない。^[36]（詳細については、天体物理学的プラズマを参照。）

プラズマ宇宙論の支持者は、電磁力学は宇宙の構造を説明する上で重力と同じくらい重要であり、銀河の進化^[34]や星間雲の初期崩壊^[23]に対する別の説明を提供すると推測している。特にプラズマ宇宙論は、渦巻き銀河の平坦な回転曲線に対する別の説明を提供し、銀河内の暗黒物質の必要性をなくし、クエーサーや活動銀河核に電力を供給する銀河中心の超大質量ブラックホールの必要性をなくすと主張されている。^{[33] [34]}しかし、理論的分析は「[宇宙の]初期における電流の存続と持続性に依存する種磁場生成の多くのシナリオは好ましくない」ことを示している^[24]つまり、銀河形成に必要な大きさ (メガパーセクのスケールで 10 ¹⁸アンペア) のビルケランド電流は存在しない。^{[37]さらに、}宇宙マイクロ波背景放射やクエーサーの性質に関する矛盾など、1980年代から1990年代にかけて謎であった多くの問題は、宇宙までの距離と時間のスケールを詳細に示すさらなる証拠によって解決されました。

プラズマ宇宙論の支持者が標準的な説明と最も対立する点のいくつかは、彼らのモデルがビッグバン元素合成なしに軽元素生成を必要とする点であり、アルヴェーン・クライン宇宙論の文脈では、観測される以上の過剰なX線とガンマ線を生成することが示されている。^{[38] [39]}プラズマ宇宙論の支持者は、軽元素の存在量を説明するためにさらなる提案をしているが、付随する問題は十分に対処されていない。^[40] 1995年、エリック・ラーナーは宇宙マイクロ波背景放射（CMBR）の代替説明を発表した。^{[41]彼は、彼のモデルがCMBスペクトルの黒体スペクトルへの忠実度と発見された異方性の低レベルを説明できると主張したが、1:10 5}での等方性レベルはどの代替モデルでもその精度で説明されていない。さらに、CMB異方性の測定感度と解像度はWMAPとプランク衛星によって大幅に向上し、信号の統計はビッグバンモデルの予測と非常に一致していたため、CMBはビッグバンモデルの代替モデルを否定する大きな証拠として歓迎されてきた。^[42]初期宇宙の音響ピークはビッグバンモデルの予測と高い精度で一致しており、現在まで、プラズマ宇宙論やその他の代替宇宙論モデルの枠組みの中で異方性の詳細なスペクトルを説明する試みは一度も行われていない。

• アルヴェーン、ハンネス:

• 「コズミック・プラズマ」（ライデル、1981年）ISBN 90-277-1151-8 
• アルヴェン、ハンネス (1983)。「階層的宇宙論について」。天体物理学と宇宙科学。89 (2): 313–324。Bibcode :1983Ap&SS..89..313A。doi : 10.1007 /bf00655984。S2CID 122396373  。
• 「プラズマ宇宙における宇宙論」、レーザーおよび粒子ビーム（ISSN  0263-0346）、第6巻、1988年8月、389〜398ページ全文
• 「プラズマ宇宙のモデル」、IEEE Transactions on Plasma Science ( ISSN  0093-3813)、Vol. PS-14、1986 年 12 月、pp. 629–638 全文 (PDF)
• 「プラズマ宇宙」、Physics Today ( ISSN  0031-9228)、第39巻、第9号、1986年9月、22～27ページ

• ペラット、アンソニー:

• 「プラズマ宇宙の物理学」（シュプリンガー、1992年）ISBN 0-387-97575-6 
• 「渦巻き銀河のシミュレーション」、Sky and Telescope ( ISSN  0037-6604)、第68巻、1984年8月、118～122ページ
• 「ブラックホールは必要か？」、スカイ・アンド・テレスコープ（ISSN  0037-6604）、第66巻、1983年7月、19～22ページ
• 「プラズマ宇宙の進化。I – 二重電波銀河、クエーサー、銀河系外ジェット」、IEEE Transactions on Plasma Science ( ISSN  0093-3813 )、Vol. PS-14、1986 年 12 月、pp. 639–660 全文 (PDF)
• 「プラズマ宇宙の進化。II – 銀河系の形成」、IEEE Transactions on Plasma Science ( ISSN  0093-3813)、Vol. PS-14、1986 年 12 月、pp. 763–778 全文 (PDF)
• 「プラズマ宇宙における粒子ビームと電流の役割」、レーザーおよび粒子ビーム（ISSN  0263-0346）、第 6 巻、1988 年 8 月、pp. 471–491 全文（PDF）

• IEEEジャーナルTransactions on Plasma Science : 宇宙および宇宙プラズマに関する特別号 1986、1989、1990、1992、2000、2003、2007
• ケンブリッジ大学出版局のジャーナル「レーザーと粒子ビーム：プラズマ宇宙における粒子ビームと基本現象」、ハンネス・アルヴェーン生誕80周年記念特別号、第6巻、第3号、1988年8月 レーザーと粒子ビーム：第6巻 - 第3号 | ケンブリッジ・コア
• さまざまな著者：「プラズマ天体物理学と宇宙論入門」、天体物理学と宇宙科学、v. 227（1995）p. 3–11。1993年5月10日から12日までニュージャージー州プリンストンで開催された第2回IEEE国際プラズマ天体物理学と宇宙論ワークショップの議事録。

• ライト、EL「ビッグバンの誤りは起こらなかった」。参照：ラーナー、EJ「ライト博士は間違っている」、上記に対するラーナーの返答。