Πώς η αστάθεια του πλάσματος αλλάζει την άποψή μας για το σύμπαν

Επιστήμονες από το Ινστιτούτο Αστροφυσικής του Λάιμπνιτς στο Πότσνταμ (AIP) ανακάλυψαν ένα νέο αντικείμενο πλάσμα αίματος Αυτή η αστάθεια πρόκειται να φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για την προέλευση των κοσμικών ακτίνων και τη δυναμική τους επίδραση στους γαλαξίες.

Στις αρχές του περασμένου αιώνα, ο Victor Hess ανακάλυψε ένα νέο φαινόμενο που ονομάζεται κοσμικές ακτίνες, το οποίο αργότερα του χάρισε το βραβείο Νόμπελ. Εκτέλεσε πτήσεις με μπαλόνια σε μεγάλο ύψος για να διαπιστώσει ότι η ατμόσφαιρα της Γης δεν ήταν ιονισμένη λόγω της ραδιενέργειας της Γης. Αντίθετα, επιβεβαίωσε ότι η προέλευση του ιονισμού ήταν εξωγήινη. Αργότερα, διαπιστώθηκε ότι οι κοσμικές “ακτίνες” αποτελούνται από φορτισμένα σωματίδια από το διάστημα που ταξιδεύουν με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός και όχι… ακτινοβολία. Ωστόσο, το όνομα “κοσμικές ακτίνες” κόλλησε μετά από αυτά τα αποτελέσματα.

Πρόσφατες εξελίξεις στην έρευνα των κοσμικών ακτίνων

Στη νέα μελέτη, ο Δρ Mohamed Shalabi, ένας επιστήμονας στο Ινστιτούτο AIP και επικεφαλής συγγραφέας αυτής της μελέτης, και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν αριθμητικές προσομοιώσεις για να εντοπίσουν τις διαδρομές πολλών σωματιδίων κοσμικής ακτίνας και να μελετήσουν πώς αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον πλάσμα που αποτελείται από ηλεκτρόνια. και πρωτόνια.

Προσομοίωση κοσμικών ακτίνων που ρέουν αντίθετα σε φόντο πλάσματος και προκαλούν αστάθεια του πλάσματος. Εδώ φαίνεται η κατανομή των σωματιδίων του φόντου που ανταποκρίνονται στις κοσμικές ακτίνες που ρέουν στο χώρο φάσης, ο οποίος εκτείνεται στη θέση των σωματιδίων (οριζόντιος άξονας) και την ταχύτητα (κατακόρυφος άξονας). Η χρωματική αντίληψη των πυκνοτήτων αριθμών και των ανοιγμάτων του χώρου φάσης είναι εκδηλώσεις της εξαιρετικά δυναμικής φύσης της αστάθειας που διαχέεται σε τυχαίες κινήσεις. Πηγή εικόνας: Shalabi/AIP

Όταν οι ερευνητές μελέτησαν τις κοσμικές ακτίνες που ταξιδεύουν από τη μια πλευρά της προσομοίωσης στην άλλη, ανακάλυψαν ένα νέο φαινόμενο που διεγείρει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο πλάσμα του φόντου. Αυτά τα κύματα ασκούν δύναμη στις κοσμικές ακτίνες, αλλάζοντας τις στροφές τους.

Κατανόηση των κοσμικών ακτίνων ως συλλογικών φαινομένων

Το πιο σημαντικό, αυτό το νέο φαινόμενο μπορεί να γίνει καλύτερα κατανοητό αν σκεφτούμε ότι οι κοσμικές ακτίνες δεν δρουν ως μεμονωμένα σωματίδια, αλλά υποστηρίζουν ένα συλλογικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Όταν αυτό το κύμα αλληλεπιδρά με θεμελιώδη κύματα υποβάθρου, ενισχύεται έντονα και λαμβάνει χώρα μεταφορά ενέργειας.

«Αυτή η άποψη μάς επιτρέπει να θεωρήσουμε τις κοσμικές ακτίνες ως συμπεριφέρονται σαν ακτινοβολία και όχι ως μεμονωμένα σωματίδια σε αυτό το πλαίσιο, όπως πίστευε αρχικά ο Viktor Hess», λέει ο καθηγητής Christoph Pfromer, Επικεφαλής του Τμήματος Κοσμολογίας και Αστροφυσικής Υψηλής Ενέργειας στο AIP. .

Κατανομή ορμής πρωτονίων (διακεκομμένες γραμμές) και ηλεκτρονίων (συμπαγείς γραμμές). Εδώ φαίνεται η εμφάνιση μιας ουράς ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας σε ένα πιο αργό σοκ. Αυτό είναι αποτέλεσμα αλληλεπιδράσεων με ηλεκτρομαγνητικά κύματα που δημιουργούνται από τις πρόσφατα ανακαλυφθείσες αστάθειες του πλάσματος (κόκκινο), οι οποίες απουσιάζουν για ταχύτερο σοκ (μαύρο). Δεδομένου ότι μόνο τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας παράγουν παρατηρήσιμη ραδιοεκπομπή, αυτό υπογραμμίζει τη σημασία της κατανόησης της φυσικής της διαδικασίας επιτάχυνσης. Πηγή εικόνας: Shalabi/AIP

Μια καλή αναλογία για αυτή τη συμπεριφορά είναι ότι μεμονωμένα μόρια νερού σχηματίζουν συλλογικά ένα κύμα που σπάει στην ακτή. «Αυτή η πρόοδος επιτεύχθηκε μόνο με την εξέταση μικρότερων κλιμάκων που είχαν παραβλεφθεί προηγουμένως που θέτουν υπό αμφισβήτηση τη χρήση αποτελεσματικών υδροδυναμικών θεωριών κατά τη μελέτη των διεργασιών του πλάσματος», εξηγεί ο Δρ Μοχάμεντ Σαλαμπί.

Εφέ και εφαρμογές

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές για τις πρόσφατα ανακαλυφθείσες αστάθειες του πλάσματος, συμπεριλαμβανομένης της πρώτης εξήγησης του τρόπου με τον οποίο τα ηλεκτρόνια από το διαστρικό θερμικό πλάσμα επιταχύνονται σε υψηλές ενέργειες σε υπολείμματα σουπερνόβα.

«Η αστάθεια του πλάσματος που ανακαλύφθηκε πρόσφατα αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα στην κατανόηση της διαδικασίας επιτάχυνσης και τελικά εξηγεί γιατί τα υπολείμματα σουπερνόβα λάμπουν σε ραδιόφωνο και ακτίνες γάμμα», λέει ο Mohamed Shalabi.

Επιπλέον, αυτή η πρωτοποριακή ανακάλυψη ανοίγει την πόρτα σε μια βαθύτερη κατανόηση των θεμελιωδών διαδικασιών μετάδοσης κοσμικών ακτίνων στους γαλαξίες, κάτι που αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μυστήριο στην κατανόησή μας για τις διαδικασίες που διαμορφώνουν τους γαλαξίες κατά τη διάρκεια της κοσμικής τους εξέλιξης.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

«Αποκρυπτογράφηση της φυσικής βάσης της αστάθειας μεσοκλίμακας» από τους Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers και Virginia Breschi, 12 Δεκεμβρίου 2023, Journal of Plasma Physics.
doi: 10.1017/S0022377823001289

«Αποτελεσματικός μηχανισμός επιτάχυνσης ηλεκτρονίων σε παράλληλες μη σχετικιστικές κρούσεις» των Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 Μαΐου 2022, Αστροφυσική > Αστροφυσικά φαινόμενα υψηλής ενέργειας.
arXiv:2202.05288

«Μια νέα αστάθεια που προκαλείται από κοσμικές ακτίνες» από τους Mohamed Shalabi, Timon Thomas και Christoph Pfromer, 24 Φεβρουαρίου 2021, ο Astrophysical Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d