[논문 리뷰] Redshift of photons penetrating a hot plasma

Ari Brynjolfsson|ArXiv.org|2004. 01. 21.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 24인용 수 30

한 줄 요약

이 논문은 태양 코로나, 은하 코로나, 간성간 매질과 같은 뜨겁고 밀도가 낮은 플라즈마를 통과하는 광자에 대한 새로운 양자역학적 에너지 손실 메커니즘으로 플라즈마 레드시프트를 제안한다. 표준 양자역학과 고전 전기역학을 사용하여 이 효과를 유도하며, 광자가 많은 전자들 사이에서 위상 일치하는 다중 산란를 통해 에너지를 잃게 되어 심한 가열이 발생하고, 암흑 에너지, 암흑 물질, 또는 팽창하는 우주의 개념 없이 천체물리적 레드시프트를 설명할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 복사 및 열전도 모델보다 예측을 초월하는 태양 코로나의 비정상적 가열을 설명하기 위해.
• 우주의 팽창이나 암흑 에너지를 가정하지 않고 천체물리적 레드시프트에 대한 물리적 메커니즘을 제공하기 위해.
• 비팽창성이고 준정적 우주에서의 타입 Ia 초신성의 관측된 등급-레드시프트 관계를 일치시키기 위해.
• 고전적 중력 레드시프트를 플라즈마 레드시프트의 맥락에서 반전된 것으로 재해석하여 광자에 대한 양자적 반발력이 존재함을 시사하며, 아인슈타인의 우주 상수(Λ)가 필요 없음을 보여주기 위해.
• 우주 마이크파 배경, X선 배경, 간성간 플라즈마의 가열을 동일한 메커니즘으로 통합 설명하기 위해.

제안 방법

• 뜨겁고 희박한 플라즈마 내 광자-전자 상호작용을 양자역학적으로 다루어 플라즈마 레드시프트를 유도하며, 많은 전자들 사이에서 위상 일치하는 다중 산란에 초점을 맞춘다.
• 양자전자역학과 수정 베셀 함수(K₀, K₁)를 적용하여 에너지 손실률을 계산하며, 양자역학적 감쇠 인자 δ₁ = 1.1474 및 δ₂ = 0.8150를 포함한다.
• 경로 단위 길이당 에너지 전달률에서 유도된 정지력 공식 Q = −dE/dx를 사용하며, 전자 밀도 Ne, 광자 주파수 ω₀, 전자 속도 v를 포함한다.
• 플라즈마 주파수와 딱딱한 충돌 항을 포함하는 공진 조건을 도입하며, 총 단면적은 σₘₙ ∝ (Z²e⁴Ne / ħ²v²) · |Xₘₙ|² · [ln(2mγ²v² / δ₁²ħω₀) − δ₂v²/c²]로 표현된다.
• 이론적 예측을 태양 전이대, 코로나, 태양풍, 은하 코로나의 실험 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.
• 중력 레드시프트를 플라즈마 기준에서 반전된 것으로 재해석하여 광자에 대한 양자적 반발력이 존재함을 시사하며, 아인슈타인의 우주 상수(Λ)가 필요 없음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 콤프턴 산란 및 복사 과정을 초월하여 태양 코로나의 가열을 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 팽창하는 우주나 암흑 에너지를 가정하지 않고도 천체물리적 레드시프트를 설명할 수 있는가?
• RQ3 플라즈마 레드시프트는 타입 Ia 초신성의 관측된 등급-레드시프트 관계를 어떻게 설명하는가?
• RQ4 뜨겁고 밀도가 낮은 플라즈마에서 광자 에너지 손실에 있어 양자역학적 감쇠의 역할은 무엇인가?
• RQ5 우주 마이크파 배경과 X선 배경은 간성간 및 간성간 플라즈마에서의 플라즈마 레드시프트로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 플라즈마 레드시프트는 각 전자당 에너지 손실이 콤프턴 산란보다 약 20만 배 더 크며, 뜨겁고 희박한 플라즈마에서의 주요 가열 메커니즘이 된다.
• 에너지 손실률은 Q = (2πZ²e⁴Ne,ω₀ / mv²) · [ln(2mγ²v² / δ₁²ħω₀) − δ₂v²/c²]로 주어지며, δ₁ = 1.1474 및 δ₂ = 0.8150는 양자역학적 감쇠에서 유도된다.
• 플라즈마 레드시프트는 프라운호퍼 선의 태양 레드시프트와 전이대 및 코로나에서의 관측된 레드시프트를 설명하며 실험 데이터와 일치한다.
• 이 이론은 우주 마이크파 배경과 X선 배경을 간성간 및 간성간 플라즈마에서의 플라즈마 레드시프트의 산물로 설명할 수 있다.
• 타입 Ia 초신성의 등급-레드시프트 관계는 암흑 에너지, 우주의 시간 지연, 또는 빅뱅을 가정하지 않고도 재현된다.
• 고전적 중력 레드시프트는 플라즈마 기준에서 반전되며, 광자에 대한 양자적 반발력이 존재함을 시사하며, 아인슈타인의 Λ 항이 필요 없어진다.