Jak niestabilność plazmy zmienia nasz pogląd na wszechświat

Naukowcy z Instytutu Astrofizyki Leibniza w Poczdamie (AIP) odkryli nowy obiekt osocze Ta niestabilność zrewolucjonizuje nasze rozumienie pochodzenia promieni kosmicznych i ich dynamicznego wpływu na galaktyki.

Na początku ubiegłego wieku Victor Hess odkrył nowe zjawisko zwane promieniami kosmicznymi, za co później otrzymał Nagrodę Nobla. Wykonywał loty balonem na dużych wysokościach i odkrył, że ziemska atmosfera nie została zjonizowana z powodu radioaktywności Ziemi. Zamiast tego potwierdził, że pochodzenie jonizacji jest pozaziemskie. Później ustalono, że kosmiczne „promienie” składają się z naładowanych cząstek z przestrzeni kosmicznej, poruszających się z prędkością bliską prędkości światła, a nie… promieniowanie. Jednak po tych wynikach utknęła nazwa „promienie kosmiczne”.

Najnowsze osiągnięcia w badaniach nad promieniowaniem kosmicznym

W nowym badaniu dr Mohamed Shalabi, naukowiec z Instytutu AIP i główny autor tego badania, oraz jego współpracownicy przeprowadzili symulacje numeryczne, aby śledzić ścieżki kilku cząstek promieniowania kosmicznego i zbadać, jak oddziałują one z otaczającą plazmą złożoną z elektrony i protony.

Symulacja promieni kosmicznych przepływających przeciwnie do tła plazmy i wywołujących niestabilność plazmy. Pokazano tutaj rozkład cząstek tła reagujących na promienie kosmiczne przepływające w przestrzeni fazowej, która obejmuje położenie cząstki (oś pozioma) i prędkość (oś pionowa). Postrzeganie kolorów przez gęstości liczbowe i apertury przestrzeni fazowej są przejawami wysoce dynamicznej natury niestabilności, która rozprasza się w przypadkowych ruchach. Źródło obrazu: Shalabi/AIP

Kiedy naukowcy badali promienie kosmiczne przemieszczające się z jednej strony symulacji na drugą, odkryli nowe zjawisko, które wzbudza fale elektromagnetyczne w plazmie tła. Fale te wywierają siłę na promienie kosmiczne, zmieniając ich kręte ścieżki.

Zrozumienie promieni kosmicznych jako zjawisk zbiorowych

Co najważniejsze, to nowe zjawisko można lepiej zrozumieć, jeśli weźmiemy pod uwagę, że promienie kosmiczne nie działają jak pojedyncze cząstki, ale raczej wspierają zbiorową falę elektromagnetyczną. Kiedy fala ta oddziałuje z podstawowymi falami tła, ulega silnemu wzmocnieniu i następuje transfer energii.

„Pogląd ten pozwala nam uważać promienie kosmiczne za zachowujące się jak promieniowanie, a nie jak pojedyncze cząstki w tym kontekście, tak jak pierwotnie myślał Viktor Hess” – mówi profesor Christoph Pfromer, kierownik Katedry Kosmologii i Astrofizyki Wysokich Energii w AIP. .

Rozkład pędu protonów (linie przerywane) i elektronów (linie ciągłe). Powyżej pokazano pojawienie się ogona wysokoenergetycznych elektronów podczas wolniej poruszającego się szoku. Jest to wynik interakcji z falami elektromagnetycznymi generowanymi przez nowo odkryte niestabilności plazmy (kolor czerwony), których nie ma w przypadku szybszego szoku (kolor czarny). Ponieważ jedynie elektrony o wysokiej energii wytwarzają zauważalną emisję radiową, podkreśla to znaczenie zrozumienia fizyki procesu przyspieszania. Źródło obrazu: Shalabi/AIP

Dobrą analogią do tego zachowania jest to, że poszczególne cząsteczki wody wspólnie tworzą falę, która rozbija się o brzeg. „Postęp ten udało się osiągnąć jedynie dzięki uwzględnieniu wcześniej pomijanych mniejszych skal, które podają w wątpliwość zastosowanie skutecznych teorii hydrodynamicznych w badaniu procesów plazmowych” – wyjaśnia dr Mohamed Shalabi.

Efekty i zastosowania

Istnieje wiele zastosowań nowo odkrytych niestabilności plazmy, w tym pierwsze wyjaśnienie, w jaki sposób elektrony z międzygwiazdowej plazmy termicznej są przyspieszane do wysokich energii w pozostałościach po supernowych.

„Nowo odkryta niestabilność plazmy stanowi ogromny krok w naszym zrozumieniu procesu przyspieszania i ostatecznie wyjaśnia, dlaczego pozostałości supernowych świecą w promieniach radiowych i gamma” – mówi Mohamed Shalabi.

Co więcej, to pionierskie odkrycie otwiera drzwi do głębszego zrozumienia podstawowych procesów transmisji promieniowania kosmicznego w galaktykach, co stanowi największą tajemnicę w naszym rozumieniu procesów kształtujących galaktyki podczas ich kosmicznej ewolucji.

Bibliografia:

„Rozszyfrowanie fizycznych podstaw niestabilności mezoskali” Mohameda Shalabiego, Timona Thomasa, Christopha Pfromera, Reuvena Lemmersa i Virginii Breschi, 12 grudnia 2023 r., Journal of Plasma Physics.
doi: 10.1017/S0022377823001289

„Efektywny mechanizm przyspieszania elektronów przy równoległych wstrząsach nierelatywistycznych” Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 maja 2022 r., Astrofizyka > Zjawiska astrofizyczne wysokich energii.
arXiv:2202.05288

„Nowa niestabilność spowodowana promieniami kosmicznymi” Mohameda Shalabiego, Timona Thomasa i Christopha Pfromera, 24 lutego 2021 r., the Dziennik astrofizyczny.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d