Elektrický náboj hviezd

Veľká väčšina astronómov predpokladá, že hviezdy sú – v globále – telesá elektricky neutrálne. Túto skutočnosť potvrdzuje aj fakt, že v každej astronomickej encyklopédii je možné nájsť také základné charakteristiky Slnka ako hmotnosť, povrchovú teplotu, svietivosť, žiarivý výkon, gravitačné zrýchlenie na povrchu a pod., no v žiadnej sa nevyskytuje ani zmienka o elektrickom náboji tejto hviezdy.

Z hľadiska fyziky je však existencia elektrického náboja hviezd nevyhnutnou. Možno to vysvetliť nasledovnou schematickou úvahou. Predstavme si nejakú elektricky neutrálnu hviezdu. Jej povrch musí obsahovať voľné ióny a elektróny. Keďže v chemickom zložení každej hviezdy prevláda vodík, z iónov to budú hlavne protóny. Pri vzájomných kolíziách elektrónov s iónmi, ako aj pri ionizácii atómov, elektróny nadobúdajú oveľa väčšiu rýchlosť, než ktorékoľvek z iónov. Je to dôsledok zákona zachovania impulzu a skutočnosti, že hmotnosť elektrónov je o tri rády nižšia v porovnaní s hmotnosťou iónov.

Možno teda očakávať, že oveľa viac elektrónov ako iónov bude na povrchu hviezdy dosahovať únikovú rýchlosť. Následne sa pôvodne neutrálna hviezda začne nabíjať kladne. Rastúci elektrický náboj ale bude spôsobovať, že úniková rýchlosť pre elektróny sa začne zvyšovať a úniková rýchlosť pre ióny znižovať (pričom bude funkciou ich hmotnosti a elektrického náboja, na rozdiel od prípadu neutrálnej hviezdy, kedy je hodnota tejto rýchlosti pre všetky druhy častíc rovnaká). Pravdepodobnosti úniku elektrónov a iónov sa tak začnú vyrovnávať, až sa pri určitej kritickej hodnote náboja úplne vyrovnajú. Náboj hviezdy sa vtedy ustáli.

V prípade hviezdy, ktorej povrch by bol zložený len z vodíka, čo nie je veľmi nerealistická aproximácia, určili hodnotu elektrického poľa vzniknutého vyššie opísaným spôsobom viacerí autori. Prvým bol ešte v roku 1922 Holanďan Pannekoek. Elektrické pole odvodil pri navrhovaní modelu slnečnej koróny. Vzťahy všeobecnejšej platnosti, opisujúce aj priebeh náboja vo vnútri hviezdy, odvodil o dva roky neskôr Rosseland. Ak označíme hmotnosti protónu a elektrónu mp, resp. me, gravitačné zrýchlenie a intenzitu elektrického poľa vo vzdialenosti r od stredu hviezdy g, resp. E a elementárny elektrický náboj e, potom za predpokladu sférickej symetrie hviezdy a s použitím známych vzťahov termodynamiky možno odvodiť platnosť rovnice meg - eE = mpg + eE. Z tejto rovnice sa dá určiť veľkosť elektrického poľa E. Ukazuje sa, že toto pole je dosť veľké: v prípade protónu znižuje pôsobenie gravitácie na túto časticu na polovicu, v prípade elektrónu je takmer o 3 rády (918krát) silnejšie než gravitácia.

Magnetické pole, ktoré v dnešných modeloch koróny hrá kľúčovú úlohu, prvýkrát spolu s vyššie uvedeným elektrickým poľom uvažoval Cowling v roku 1929. Po 2. svetovej vojne sa k problematike elektrického poľa v slnečnej koróne vrátil Pikeľner (1950) a Van de Hulst (1950, resp. 1953). Posledne menovaný je známy svojou predpoveďou možnosti pozorovať neutrálny vodík v Galaxii rádioastronomicky na vlne 21 cm.

Určenie elektrického náboja hviezd bolo väčšinou spojené s modelom slnečnej koróny. Od konca 2. svetovej vojny je koróna častým objektom astronomických pozorovaní a to umožnilo kvalitatívny pokrok pri jej opise. V 60. rokoch boli modely z prvej polovice nášho storočia úplne opustené a s nimi sa zabudlo aj na elektrický náboj. Poslednú zmienku o náboji, jednou vetou, možno nájsť v knihe Šklovského z roku 1962 (resp. v preklade tejto knihy do angličtiny, ktorý vyšiel v roku 1965).

Skutočnosť, že sa na nutnosť existencie elektrického poľa hviezdy zabudlo, však nič nemení na tom, že vyššie opísaný princípm generovania elektrického náboja hviezdy musí platiť. Ak do rovnice meg - eE = mpg + eE dosadíme za g klasické newtonovské gravitačné zrýchlenie a za E klasickú coulombovskú intenzitu elektrického poľa, potom ľahko vypočítame náboj hviezdy, ktorý sa rovná Q = 2πεoG(mp – me)M/e (π – Ludolfovo číslo, εo – permitivita vákua, G – gravitačná konštanta, M – hmotnosť hviezdy). V prípade Slnka by mal byť 77 coulombov.

Sumárne má náboj 77 C množstvo protónov, ktorých súhrnná hmotnosť je len 8.10^-7 kg. Prípadne sa tento náboj môže objaviť aj pri deficite elektrónov, ktorých súhrnná hmotnosť je ešte menšia – len 4.10^–10 kg. Na povrchu Slnka, aj iných hviezd, dochádza k množstvu lokálnych elektromagnetických javov, kde silové polia dosahujú značných intenzít a následne sa teda môžu objaviť aj pomerne veľké lokálne elektrické náboje. Tieto by mohli globálny náboj snáď na istý čas aj prevýšiť. Hodnotu náboja vypočítanú vyššie preto treba považovať za „asymptotickú“, t.j. za takú, ku ktorej sa náboj skutočnej hviezdy snaží priblížiť, okolo ktorej môže kolísať.

Skôr, než začneme úvahu o tom, kde sa môže elektrické pole hviezdy prejaviť, budeme sa zaoberať troma prípadmi, kde sa naopak neprejaví napriek tomu, že na prvý pohľad by sa to možno dalo očakávať. Kladne nabitá hviezda skôr či neskôr evokuje asociáciu s kladne nabitým jadrom atómu. Proti tejto predstave však stoja nielen pozorovania medziplanetárnej plazmy prístrojmi na umelých družiciach, ktoré nenachádzajú nijaké oblasti zoskupovania sa elektrónov či iónov, ale najmä teória. Na jej základe vychádza totiž hodnota rozdielu dvoch susedných kvantových hladín o 63 rádov nižšia ako v atóme vodíka, čiže energia môže vlastne nadobúdať ľubovoľné hodnoty spojito. Na základe súčasnej kvantovej teórie makroskopické kvantovanie nemá zmysel – diskrétne hodnoty sú veľmi tesne pri sebe.

Aj keď elektrické pole hviezdy znižuje účinok gravitácie na polovicu v prípade protónov a je dokonca zhruba 918krát intenzívnejšie v prípade elektrónov, nemá, paradoxne, vplyv na vnútornú stavbu hviezdy. Presnejšie, pravá strana rovnice hydrostatickej rovnováhy sa zmení o faktor, ktorý sa od jednotky líši na bezvýznamnom 37. desatinnom mieste (Rosseland, 1929; Van de Hulst, 1950). Parciálny tlak elektrónov je ale pri existencii náboja podstatne vyšší než tlak protónov (iba ich sumárny tlak prakticky od náboja nezávisí).

Podobne, ako elektrické pole neovplyvňuje vnútornú stavbu hviezdy, nepodieľa sa zrejme ani na generovaní jej globálneho magnetického poľa. K tomuto záveru možno dospieť odhadom príslušného poľa v prípade Slnka. Intezita poľa by bola o mnoho rádov nižšia než meraná aj vtedy, ak by slnečné vnútro rotovalo tak extrémne rýchlo, ako tomu nasvedčujú niektoré hélioseizmologické merania.

Elektrické pole bude však zrejme aj naďalej mať význam pri štúdiu vysokej atmosféry hviezdy. Napríklad nedovoľuje výskyt pomalých elektrónov v slnečnej koróne. Elektrón, ktorého rýchlosť by nezodpovedala elektrónovej teplote rovnej zhruba miliónu kelvinov, pole zakrátko vráti späť na slnečný povrch, pričom ho súčasne silne urýchli. To je koniec koncov v zhode s pozorovanou skutočnosťou.

Ďalej možno očakávať, že vplyv poľa sa prejaví na pohybe nabitých častíc, hlavne elektrónov, v medziplanetárnom prostredí. To platí aj pre plazmu v kómach a chvostoch komét, ktorú bude pole radiálne polarizovať na spôsob polarizácie dielektrika.Princíp tvorby elektrického náboja u hviezd možno aplikovať aj na iné telesá zložené aspoň z malej časti z voľných elektrónov a iónov, teda z plazmy. Takýmito telesami sú aj medzihviezdne oblaky, v ktorých je sústredená dosť podstatná časť hmoty vesmíru. Aj keď v tomto prípade bude výpočet náboja zložitejší, než je tomu u hviezd, dá sa očakávať, že výsledok nebude rádovo odlišný. Z toho pramenia kozmologické dôsledky: medzihviezdny a snáď aj medzigalaktický priestor by mal byť vyplnený istým množstvom voľných elektrónov. Odhad ich koncentrácie síce vedie k hodnotám, pri ktorých nedochádza k detegovateľnému skresľovaniu, alebo rozmazávaniu obrazu kozmických objektov, no nedajú sa celkom vylúčiť emisné prejavy týchto elektrónov majúce charakter žiarenia kozmického pozadia. Iným riešením deficitu elektrónov v bežne pozorovanej hmote vo vesmíre je potom predpoklad, že vesmír ako celok nie je elektricky neutrálny, alebo predpoklad, že absolútne hodnoty náboja rôznych druhov nabitých elementárnych častíc (hlavne protónov a elektrónov) sa presne nerovnajú.

Záverom možno zhrnúť, že elektrický náboj hviezdy by mal existovať a mal by sa – aspoň u Slnka – dať merať na základe niektorých dôsledkov príslušného elektrického poľa. Bolo by dobré, keby sa astrofyzici opäť na túto veličinu rozpamätali, lebo môže byť dôležitá v rozličných teóriach pri odstraňovaní komplikácií prameniacich práve z jej ignorovania.