Ako nestabilita plazmy mení náš pohľad na vesmír

Vedci z Leibnizovho inštitútu pre astrofyziku Postupim (AIP) urobili nový objav. plazma Nestabilita, ktorá sľubuje revolúciu v našom chápaní pôvodu kozmického žiarenia a jeho dynamických účinkov na galaxie.

Začiatkom minulého storočia Victor Hess objavil nový fenomén nazývaný kozmické žiarenie, za ktorý neskôr dostal Nobelovu cenu. Uskutočnil lety balónom vo veľkých výškach, aby zistil, že zemská atmosféra nie je ionizovaná pozemnou rádioaktivitou. Namiesto toho potvrdil, že ionizácia mala mimozemský pôvod. Následne sa zistilo, že kozmické „lúče“ pozostávajú z nabitých častíc letiacich rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla z vesmíru. žiarenia, Názov „kozmické žiarenie“ však tieto zistenia prekročil.

Nedávne pokroky vo výskume kozmického žiarenia

V novej štúdii vedec AIP a hlavný autor štúdie Dr. Mohammed Shalabi a jeho kolegovia vykonali numerické simulácie na sledovanie trajektórií niekoľkých častíc kozmického žiarenia a študovali, ako interagujú s okolitou plazmou obsahujúcou elektróny. Ako protóny a interagujú protóny?

Simulácia kozmického žiarenia v kontraste s plazmou na pozadí a stimulácia nestability plazmy. Je znázornené rozloženie častíc pozadia reagujúcich na prúdiace kozmické žiarenie vo fázovom priestore, vynesené podľa polohy častice (horizontálna os) a rýchlosti (vertikálna os). Čísla farieb vizualizujú hustotu a sú vyjadrením vysoko dynamickej povahy nestability fázového priestoru, ktorá sa šíri do usporiadaných náhodných pohybov. Kredit: Shalabi/AIP

Keď výskumníci študovali kozmické lúče prelietavajúce z jednej strany simulácie na druhú, objavili nový jav, ktorý budí elektromagnetické vlny v plazme na pozadí. Tieto vlny pôsobia silou na kozmické lúče a menia ich zakrivené dráhy.

Chápanie kozmického žiarenia ako hromadného javu

Najdôležitejšie je, že tento nový jav možno najlepšie pochopiť, ak vezmeme do úvahy, že kozmické žiarenie nepôsobí ako jednotlivé častice, ale podporuje kolektívne elektromagnetické vlnenie. Keď táto vlna interaguje so základnými vlnami v pozadí, sú silne zosilnené a energia sa prenáša.

Profesor Christoph Pfrommer, vedúci sekcie kozmológie a vysokoenergetickej astrofyziky v AIP, hovorí: „Tento pohľad nám umožňuje zaobchádzať s kozmickým žiarením ako s žiarením, a nie ako s jednotlivými časticami v tomto kontexte, ako pôvodne pripustil Victor Hayes.“ ,

Rozloženie hybnosti protónov (prerušované čiary) a elektrónov (plné čiary). Ukázal sa vznik vysokoenergetického chvosta elektrónov pri pomaly sa pohybujúcom výboji. Je to výsledok interakcií s elektromagnetickými vlnami generovanými novoobjavenými nestabilitami plazmy (červená), ktoré chýbajú pri rýchlych výbojoch (čierna). Pretože iba vysokoenergetické elektróny produkujú pozorovateľné rádiové emisie, ukazuje to dôležitosť pochopenia fyziky procesu zrýchlenia. Kredit: Shalabi/AIP

Dobrou analógiou pre toto správanie je, že jednotlivé molekuly vody spoločne vytvárajú vlnu, ktorá sa láme o breh. Dr. Mohammed Shalabi vysvetľuje: „Tento pokrok sa dosiahol len zvážením malých mier, ktoré boli predtým ignorované a ktoré spochybňujú použitie účinných hydrodynamických princípov pri štúdiu plazmových procesov.“

Dôsledky a aplikácie

Táto novoobjavená nestabilita plazmy má mnoho aplikácií, vrátane prvého vysvetlenia toho, ako môžu byť elektróny z tepelnej medzihviezdnej plazmy urýchlené na vysoké energie na zvyškoch supernov.

Mohammed Shalabi uvádza: „Táto novoobjavená nestabilita plazmy predstavuje významný skok v našom chápaní procesu zrýchlenia a v konečnom dôsledku vysvetľuje, prečo tieto zvyšky supernov žiaria v rádiových a gama lúčoch.“

Okrem toho tento bezprecedentný objav otvára dvere hlbšiemu pochopeniu základných procesov prenosu kozmického žiarenia v galaxiách, čo predstavuje najväčšiu záhadu v našom chápaní procesov, ktoré formujú galaxie počas ich kozmického vývoja.

Referencia:

„Určenie fyzikálneho základu nestabilít v strednej mierke“ od Mohammeda Shalabiho, Timona Thomasa, Christopha Pfrommera, Reuvena Lemmerza a Virginie Bresky, 12. decembra 2023, Plasma Physics Journal,
DOI: 10.1017/S0022377823001289

„Mechanizmus účinného zrýchlenia elektrónov na paralelných nerelativistických výbojoch“ od Mohammeda Shalabiho, Reuvena Lemerza, Timona Thomasa, Christopha Pfrommera, 4. mája 2022, Astrofyzika > Vysokoenergetické astrofyzikálne javy,
arXiv:2202.05288

„Nová nestabilita riadená kozmickým žiarením“ od Mohammeda Shalabiho, Timona Thomasa a Christopha Pfrommera, 24. februára 2021, Astrofyzikálny časopis,
DOI: 10.3847/1538-4357/abd02d