Θερμοδυναμική του Διαστήματος

Η θερμοδυναμική είναι ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με τα θερμικά παρατηρήσιμα μεγέθη, όπως η θερμοκρασία, των συστημάτων που είναι σε θερμική ισορροπία. Η θερμική ισορροπία επιτυγχάνεται όταν δύο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή και μεταφέρεται θερμότητα από το θερμότερο σώμα στο ψυχρότερο μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες τους. Όταν ένα σύστημα σωματιδίων βρίσκεται σε θερμική ισορροπία, τα σωματίδια κατανέμονται με έναν πολύ συγκεκριμένο τρόπο: Υπάρχουν πολλά σωματίδια με μικρές ταχύτητες και πολύ λίγα με μεγάλες ταχύτητες. Η μαθηματική εξίσωση που περιγράφει πόσα σωματίδια αερίου βρίσκονται σε κάθε ταχύτητα ονομάζεται "Maxwellian" κατανομή.

Ωστόσο, τα διαστημικά πλάσματα είναι συστήματα σωματιδίων κατανεμημένα έτσι ώστε να υπάρχουν περισσότερα σωματίδια υψηλής ταχύτητας από ό,τι θα έπρεπε. Η εξίσωση που περιγράφει πόσα σωματίδια πλάσματος βρίσκονται σε κάθε ταχύτητα ονομάζεται κατανομή "Kάππα". Το πρόβλημα είναι ότι ενώ η κατανομή Maxwell είναι συνεπής με τη θερμοδυναμική, μέχρι πρόσφατα, δεν ξέραμε τι γίνεται όμως με την κατανομή Κάππα.

Οι νέες θεωρετικές εξελίξεις παρέχουν τη φυσική ερμηνεία μισού αιώνα διαστημικών παρατηρήσεων που δεν θα μπορούσαν να εξηγηθούν από τους όρους της κλασικής θερμοδυναμικής. Με τον ίδιο τρόπο που η κλασσική θερμοδυναμική των αερίων οδηγεί στη φυσική της κατανομής Maxwell, η θερμοδυναμική του πλάσματος οδηγεί στο φυσικό πλαίσιο των κατανομών Kάππα. Αυτό είναι το φυσικό πλαίσιο της θερμοδυναμικής του διαστημικού πλάσματος, της ύλης που γεμίζει το διάστημα, στο οποίο κλασσικές θερμοδυναμικές έννοιες, όπως θερμοκρασία και εντροπία, είναι συνεπείς και μετρήσιμες ποσότητες.

Η ηλιόσφαιρα, για παράδειγμα, είναι μία μεγάλη ποικιλία από διαστημικό πλάσμα, το οποίο χαρακτηρίζεται σε μεγάλο βαθμό από συστήματα σωματιδίων, που δεν βρίσκονται σε κλασσική θερμική ισορροπία, με κατανομές ταχυτήτων που δεν είναι καν κοντά σε Maxwell, αλλά περιγράφονται πολυ καλά με κατανομές κάππα. Πολλές διαστημικές αποστολές έχουν επιβεβαιώσει αυτό το γεγονός στον ηλιακό άνεμο (π.χ., ACE, New Horizons, Voyager I, II, WIND) και σε μαγνητόσφαιρες (Cassini, Juno, Rosetta). Επίσης, η αποστολή Interstellar Boundary Explorer (IBEX), παρέχει αξιοσημείωτες αποδείξεις για τις κατανομές κάππα στους πληθυσμούς πλάσματος στα εξωτερικά όρια της ηλιόσφαιρας. Τέλος, μία ακόμη πολλά υποσχόμενη διαστημική αποστολή, που θα συνεισφέρει στην περιγραφή της θερμοδυναμικής των ορίων της ηλιόσφαιρας, είναι η αποστολή Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP), που θα εκτοξευθεί το 2025. Έτσι, είναι πλέον δυνατό να χρησιμοποιήσουμε τις δυνατότητες της γενικευμένης θερμοδυναμικής για να περιγράψουμε το διαστημικό πλάσμα, τόσο στην ηλιόσφαιρα, αλλά και πέραν αυτής, στο μεσοαστρικό και γαλαξιακό πλάσμα.