等离子体天体物理学的物理状态

等离子体天体物理学主要研究天体等离子体中的各种不稳定物理过程。在天体等离子体中，两个物体之间的碰撞不是粒子之间相互作用的主要形式，更重要的是带电粒子(电子和离子)之间的集体相互作用，可以激发各种振动和波动。各种形式的等离子体波可以被视为准粒子，称为等离子体激元。由于不稳定性，等离子体处于湍流状态。在湍流状态下，等离子体中各种形式的涨落之间经常发生强非线性相互作用，导致光谱中能量的重新分布。这个动作通常被称为波-波动作。此外，波和带电粒子之间的相互作用可以更加有效，从而加速粒子(参见等离子体湍流加速)并改变辐射光谱的特征。这种效应通常被称为波粒相互作用。因此有人提出，天体等离子体应该主要由三种相互作用的成分组成，即电子、离子和等离子体(对于某些天体，还应该加上一种成分，即中性粒子)。现代等离子体天体物理学的任务是探索和研究上述三种基本成分在各种可能的天体物理条件下相互作用的物理规律。

天体等离子体往往处于非常复杂的物理状态。这说明通常存在不均匀结构:电导率远小于经典两体碰撞理论计算的值，甚至突然变为零，使磁流体力学中的“磁冻结”图像失效；由于不稳定性等原因，等离子体配置是不确定的。等离子体天体物理学要研究两个问题:一是各种天体形成等离子体湍流态的可能性；另一个是如果天体等离子体处于湍流状态，天文观测会得出什么推论。第一个问题目前还没有普遍的答案，但对地球磁层和太阳等离子体的研究表明，至少在地球附近的等离子体中容易发生不稳定性，等离子体状态稍微偏离热力学平衡，甚至可以忽略不计，还会导致向湍流状态的过渡。产生不稳定性所需的与热平衡的最小偏差称为不稳定性阈值。对星际物质、太阳风、日冕、类星体外区和脉冲星辐射区的研究表明，在这些天体上，有可能达到不稳定的阈值，形成湍流等离子体状态。至于第二个问题，天体等离子体处于湍流状态，必然会大大改变天体物理观测的传统解释。比如说。湍流天体等离子体中的快粒子会使谱线变宽，改变天体等离子体的电离度，加热等离子体，将其湍流动能转化为电磁辐射能量，等等。