[論文レビュー] Redshift of photons penetrating a hot plasma

Ari Brynjolfsson|ArXiv.org|Jan 21, 2004

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 24被引用数 30

ひとこと要約

本稿は、太陽コロナ、銀河コロナ、および銀河間媒体のような高温で低密度のプラズマを通過する光子の新しい量子力学的エネルギー損失メカニズムとして、プラズマ赤方偏移を提案する。標準的量子力学および古典電磁気学を用いてこの効果を導出し、光子が多数の電子に対して干渉的で多次の散乱を経てエネルギーを失うことで、顕著な加熱を引き起こし、暗黒エネルギー、暗黒物質、または宇宙の膨張を仮定せずに宇宙論的赤方偏移を説明できると示している。

ABSTRACT

A new interaction, plasma redshift, is derived, which is important only when photons penetrate a hot, sparse electron plasma. The derivation of plasma redshift is based entirely on conventional axioms of physics. When photons penetrate a cold and dense plasma, they lose energy through ionization and excitation, Compton scattering on the individual electrons, and Raman scattering on the plasma frequency. But in sparse hot plasma, such as in the solar corona, the photons lose energy also in plasma redshift. The energy loss per electron in the plasma redshift is about equal to the product of the photon's energy and one half of the Compton cross-section per electron. In quiescent solar corona, this heating starts in the transition zone to the corona and is a major fraction of the coronal heating. Plasma redshift contributes also to the heating of the interstellar plasma, the galactic corona, and the intergalactic plasma. Plasma redshift explains the solar redshifts, the redshifts of the galactic corona, the cosmological redshifts, the cosmic microwave background, and the X-ray background. The plasma redshift explains the observed magnitude-redshift relation for supernovae SNe Ia without the big bang, dark matter, or dark energy. There is no cosmic time dilation. The universe is not expanding. The plasma redshift, when compared with experiments, shows that the photons' classical gravitational redshifts are reversed as the photons move from the Sun to the Earth. This is a quantum mechanical effect. As seen from the Earth, a repulsion force acts on the photons. This means that there is no need for Einstein's Lambda term. The universe is quasi-static, infinite, and everlasting.

研究の動機と目的

• 標準的な放射および伝導モデルでは予測できない、太陽コロナの過剰加熱を説明すること。
• 宇宙の膨張や暗黒エネルギーを仮定せずに、宇宙論的赤方偏移の物理的メカニズムを提供すること。
• 非膨張的で準静的宇宙におけるIa型超新星の観測された等級-赤方偏移関係を一致させること。
• 古典的重力赤方偏移を、プラズマ赤方偏移の文脈で逆転させることで解釈し、光子に量子効果由来の反発力が存在することを示唆すること。
• 宇宙背景放射、X線背景、および銀河間プラズマの加熱を、同一のメカニズムで統一的に説明すること。

提案手法

• 高温で希薄なプラズマ内における光子-電子相互作用の量子力学的取り扱いに基づき、多数の電子にわたる干渉的多次散乱に注目して、プラズマ赤方偏移を導出する。
• 量子電磁力学と修正ベッセル関数（K₀、K₁）を用い、エネルギー損失率を計算し、量子力学的減衰係数δ₁ = 1.1474およびδ₂ = 0.8150を組み込む。
• エネルギー移動率（単位長さあたり）から導かれる停止力の式Q = −dE/dxを用い、電子密度Ne、光子周波数ω₀、電子速度vを組み込む。
• プラズマ振動数に関連する共鳴項と、ハードコリジョン項を導入し、全断面積をσₘₙ ∝ (Z²e⁴Ne / ħ²v²) · |Xₘₙ|² · [ln(2mγ²v² / δ₁²ħω₀) − δ₂v²/c²] として表現する。
• 理論的予測を太陽の遷移層、コロナ、太陽風、および銀河コロナからの実験データと比較して、モデルの妥当性を検証する。
• 重力赤方偏移をプラズマフレームで逆転させることで解釈し、光子に量子効果由来の反発力が存在することを示唆し、アインシュタインの宇宙定数（Λ）の必要性を排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的コンプトン散乱および放射過程を超えて、太陽コロナの加熱を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 宇宙の膨張や暗黒エネルギーを仮定せずに、宇宙論的赤方偏移をどのように説明できるか？
• RQ3 プラズマ赤方偏移は、Ia型超新星の観測された等級-赤方偏移関係をどのように説明するか？
• RQ4 高温で低密度のプラズマ内における光子エネルギー損失において、量子力学的減衰の役割は何か？
• RQ5 宇宙背景放射およびX線背景は、銀河間および星間プラズマにおけるプラズマ赤方偏移によって説明可能か？

主な発見

• プラズマ赤方偏移は、1電子あたりのエネルギー損失がコンプトン散乱の約20万倍にのぼり、高温で希薄なプラズマ内では支配的な加熱メカニズムとなる。
• エネルギー損失率はQ = (2πZ²e⁴Ne,ω₀ / mv²) · [ln(2mγ²v² / δ₁²ħω₀) − δ₂v²/c²] で与えられ、δ₁ = 1.1474およびδ₂ = 0.8150は量子力学的減衰から導出される。
• プラズマ赤方偏移は、フローレンホーファー線の太陽赤方偏移および遷移層とコロナでの観測赤方偏移を説明でき、実験データと一致する。
• 理論は、銀河間および星間プラズマにおけるプラズマ赤方偏移が宇宙背景放射およびX線背景の生成に寄与することを説明できる。
• Ia型超新星の等級-赤方偏移関係は、暗黒エネルギー、宇宙時間の遅延、またはビッグバンの仮定なしに再現可能である。
• 古典的重力赤方偏移はプラズマフレームで逆転し、光子に量子効果由来の反発力が存在することを示唆し、アインシュタインのΛ項の必要性が排除される。