Как нестабилността на плазмата променя представата ни за Вселената

Учени от Института за астрофизика Лайбниц Потсдам (AIP) откриха нов обект плазма Тази нестабилност е настроена да революционизира нашето разбиране за произхода на космическите лъчи и тяхното динамично влияние върху галактиките.

В началото на миналия век Виктор Хес открива ново явление, наречено космически лъчи, което по-късно му носи Нобелова награда. Той извършва полети с балон на голяма надморска височина, за да установи, че земната атмосфера не е йонизирана поради радиоактивността на Земята. Вместо това той потвърди, че произходът на йонизацията е извънземен. По-късно беше установено, че космическите „лъчи“ се състоят от заредени частици от космоса, пътуващи със скорост, близка до скоростта на светлината, а не… радиация. Името „космически лъчи“ обаче остана след тези резултати.

Последни разработки в изследванията на космическите лъчи

В новото проучване д-р Мохамед Шалаби, учен от Института AIP и водещ автор на това изследване, и неговите сътрудници проведоха числени симулации, за да проследят пътищата на няколко частици космически лъчи и да проучат как те взаимодействат със заобикалящата ги плазма, съставена от електрони и протони.

Симулация на космически лъчи, протичащи срещу плазмен фон и предизвикващи нестабилност на плазмата. Тук е показано разпределението на фоновите частици, отговарящи на космическите лъчи, протичащи във фазовото пространство, което обхваща позицията на частиците (хоризонтална ос) и скорост (вертикална ос). Възприемането на цветовете на плътностите на числата и апертурите на фазовото пространство са прояви на силно динамичната природа на нестабилността, която се разсейва при произволни движения. Източник на изображението: Shalabi/AIP

Когато изследователите изучават космическите лъчи, пътуващи от едната страна на симулацията до другата, те откриват нов феномен, който възбужда електромагнитни вълни във фоновата плазма. Тези вълни упражняват сила върху космическите лъчи, променяйки техните криволичещи пътища.

Разбиране на космическите лъчи като колективни явления

Най-важното е, че този нов феномен може да бъде по-добре разбран, ако вземем предвид, че космическите лъчи не действат като отделни частици, а по-скоро поддържат колективна електромагнитна вълна. Когато тази вълна взаимодейства с фундаменталните фонови вълни, тя се усилва силно и възниква пренос на енергия.

„Тази гледна точка ни позволява да считаме, че космическите лъчи се държат като радиация, а не като отделни частици в този контекст, точно както Виктор Хес мислеше първоначално“, казва професор Кристоф Фромер, ръководител на катедрата по високоенергийна космология и астрофизика в AIP. .

Разпределение по импулс на протони (пунктирани линии) и електрони (плътни линии). Тук е показано появата на опашка от високоенергийни електрони при по-бавно движещ се удар. Това е резултат от взаимодействия с електромагнитни вълни, генерирани от новооткритите плазмени нестабилности (червено), които липсват в случай на по-бърз удар (черно). Тъй като само високоенергийни електрони произвеждат видими радиоизлъчвания, това подчертава значението на разбирането на физиката на процеса на ускоряване. Източник на изображението: Shalabi/AIP

Добра аналогия за това поведение е, че отделните водни молекули заедно образуват вълна, която се разбива в брега. „Този ​​напредък е постигнат само чрез разглеждане на пренебрегвани по-рано по-малки мащаби, които поставят под въпрос използването на ефективни хидродинамични теории при изучаване на плазмените процеси“, обяснява д-р Мохамед Шалаби.

Ефекти и приложения

Има много приложения за новооткритите плазмени нестабилности, включително първото обяснение за това как електроните от междузвездната топлинна плазма се ускоряват до високи енергии в остатъците от свръхнова.

„Новооткритата нестабилност на плазмата представлява голям скок в разбирането ни за процеса на ускоряване и най-накрая обяснява защо остатъците от свръхнови блестят в радио и гама лъчи“, казва Мохамед Шалаби.

Освен това, това пионерско откритие отваря вратата към по-задълбочено разбиране на фундаменталните процеси на предаване на космически лъчи в галактиките, което представлява най-голямата мистерия в разбирането ни за процесите, които оформят галактиките по време на тяхната космическа еволюция.

Препратки:

„Дешифриране на физическата основа на мезомащабната нестабилност“ от Мохамед Шалаби, Тимон Томас, Кристоф Пфромър, Реувен Лемерс и Вирджиния Бреши, 12 декември 2023 г., Вестник по физика на плазмата.
doi: 10.1017/S0022377823001289

„Ефективен механизъм за ускоряване на електрони при паралелни нерелативистични удари“ от Мохамед Шалаби, Реувен Лемерс, Тимон Томас, Кристоф Фромер, 4 май 2022 г. Астрофизика > Астрофизични явления с висока енергия.
arXiv: 2202.05288

„Нова нестабилност, причинена от космически лъчи“ от Мохамед Шалаби, Тимон Томас и Кристоф Пфромър, 24 февруари 2021 г. на Астрофизичен вестник.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d