Hogyan változtatja meg a plazma instabilitása az univerzumról alkotott képünket

A Leibniz Potsdami Asztrofizikai Intézet (AIP) tudósai új objektumot fedeztek fel vérplazma Ez az instabilitás forradalmasítja a kozmikus sugarak eredetével és a galaxisokra gyakorolt ​​dinamikai hatásukkal kapcsolatos ismereteinket.

A múlt század elején Victor Hess felfedezett egy új jelenséget, a kozmikus sugarakat, amivel később Nobel-díjat kapott. Nagy magasságban ballonos repüléseket hajtott végre annak megállapítására, hogy a Föld légköre nem ionizálódott a Föld radioaktivitása miatt. Ehelyett megerősítette, hogy az ionizáció földönkívüli eredetű. Később megállapították, hogy a kozmikus „sugarak” a világűrből származó töltött részecskékből állnak, amelyek közel fénysebességgel haladnak, mint… sugárzás. A „kozmikus sugarak” elnevezés azonban ezekre az eredményekre ragadt.

A kozmikus sugárzás kutatásának legújabb fejleményei

Az új tanulmányban Dr. Mohamed Shalabi, az AIP Intézet tudósa és a tanulmány vezető szerzője és munkatársai numerikus szimulációkat futtattak, hogy nyomon kövessék több kozmikus sugárrészecske útvonalát, és megvizsgálják, hogyan lépnek kapcsolatba a környező plazmával, amely elektronok és protonok.

A plazma háttérre ellenáramló és plazma instabilitását kiváltó kozmikus sugarak szimulációja. Itt látható a fázistérben áramló kozmikus sugarakra reagáló háttérrészecskék eloszlása, amely átíveli a részecske helyzetét (vízszintes tengely) és sebességét (függőleges tengely). A számsűrűségek és a fázistér-nyílások színérzékelése az instabilitás rendkívül dinamikus természetének megnyilvánulása, amely véletlenszerű mozgások során eloszlik. A kép forrása: Shalabi/AIP

Amikor a kutatók a szimuláció egyik oldaláról a másikra terjedő kozmikus sugarakat tanulmányozták, felfedeztek egy új jelenséget, amely elektromágneses hullámokat gerjeszt a háttérplazmában. Ezek a hullámok erőt fejtenek ki a kozmikus sugarakra, megváltoztatva kanyargós útjukat.

A kozmikus sugarak, mint kollektív jelenségek megértése

A legfontosabb, hogy ez az új jelenség jobban megérthető, ha figyelembe vesszük, hogy a kozmikus sugarak nem egyedi részecskékként működnek, hanem egy kollektív elektromágneses hullámot támogatnak. Amikor ez a hullám kölcsönhatásba lép az alapvető háttérhullámokkal, erősen felerősödik, és energiaátadás történik.

„Ez a nézet lehetővé teszi számunkra, hogy a kozmikus sugarakat sugárzásként viselkedőnek tekintsük, nem pedig egyedi részecskéknek, ahogyan Viktor Hess eredetileg gondolta” – mondja Christoph Pfromer professzor, az AIP Nagyenergiájú Kozmológiai és Asztrofizikai Tanszékének vezetője. .

Protonok (szaggatott vonalak) és elektronok (folytonos vonalak) lendületeloszlása. Itt látható a nagy energiájú elektronok farka megjelenése lassabban mozgó sokknál. Ez az újonnan felfedezett plazma instabilitások (piros) által generált elektromágneses hullámokkal való kölcsönhatás eredménye, amelyek a gyorsabb sokk (fekete) esetén hiányoznak. Mivel csak a nagy energiájú elektronok produkálnak megfigyelhető rádiósugárzást, ez rávilágít a gyorsulási folyamat fizikájának megértésének fontosságára. A kép forrása: Shalabi/AIP

Jó analógia erre a viselkedésre, hogy az egyes vízmolekulák együttesen hullámot képeznek, amely a parton megtörik. „Ezt az előrelépést csak úgy sikerült elérni, hogy figyelembe vettük a korábban figyelmen kívül hagyott kisebb skálákat, amelyek megkérdőjelezik a hatékony hidrodinamikai elméletek alkalmazását a plazmafolyamatok tanulmányozása során” – magyarázza Dr. Mohamed Shalabi.

Hatások és alkalmazások

Számos alkalmazás létezik az újonnan felfedezett plazma instabilitásra, beleértve az első magyarázatot arra vonatkozóan, hogy a csillagközi termikus plazmából származó elektronok hogyan gyorsulnak fel a szupernóva-maradványokban lévő nagy energiákra.

„Az újonnan felfedezett plazma instabilitása jelentős ugrást jelent a gyorsulási folyamat megértésében, és végül megmagyarázza, hogy a szupernóva-maradványok miért ragyognak a rádió- és gammasugárzásban” – mondja Mohamed Shalabi.

Ezenkívül ez az úttörő felfedezés megnyitja az ajtót a galaxisokban a kozmikus sugárzás átvitelének alapvető folyamatainak mélyebb megértéséhez, ami a legnagyobb rejtélyt jelenti a galaxisokat kozmikus evolúciójuk során alakító folyamatok megértésében.

Referenciák:

Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers és Virginia Breschi „A mezoskálás instabilitás fizikai alapjainak megfejtése”, 2023. december 12. Journal of Plasma Physics.
doi: 10.1017/S0022377823001289

Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer: „Hatékony elektrongyorsítási mechanizmus párhuzamos nem-relativisztikus sokkoknál”, 2022. május 4. Asztrofizika > Nagy energiájú asztrofizikai jelenségek.
arXiv:2202.05288

Mohamed Shalabi, Timon Thomas és Christoph Pfromer „A kozmikus sugarak okozta új instabilitás”, 2021. február 24. a Astrophysical Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d