25 февраля, 2024

Orsk.today

Будьте в курсе последних событий в России благодаря новостям Орска, эксклюзивным видеоматериалам, фотографиям и обновленным картам.

Как нестабильность плазмы меняет наш взгляд на Вселенную

Как нестабильность плазмы меняет наш взгляд на Вселенную

Ученые обнаружили новое состояние нестабильности плазмы, которое произвело революцию в нашем понимании космических лучей. Этот прорыв показывает, что космические лучи генерируют электромагнитные волны в плазме, влияя на ее траекторию. Такое коллективное поведение космических лучей, подобное волнам, образуемым молекулами воды, бросает вызов предыдущим теориям и обещает дать представление о переносе космических лучей в галактиках и их роли в эволюции галактик. Фото: SciTechDaily.com

Ученые из Института астрофизики Лейбница в Потсдаме (AIP) обнаружили новый объект плазма Эта нестабильность должна произвести революцию в нашем понимании происхождения космических лучей и их динамического влияния на галактики.

В начале прошлого века Виктор Гесс открыл новое явление, названное космическими лучами, за что впоследствии получил Нобелевскую премию. Он совершил полеты на воздушном шаре на большой высоте и обнаружил, что атмосфера Земли не ионизирована из-за радиоактивности Земли. Вместо этого он подтвердил, что происхождение ионизации было внеземным. Позже было установлено, что космические «лучи» состоят из заряженных частиц из космоса, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, а не… радиация. Однако после этих результатов закрепилось название «космические лучи».

Последние достижения в исследованиях космических лучей

В новом исследовании доктор Мохамед Шалаби, ученый из Института AIP и ведущий автор этого исследования, и его сотрудники провели численное моделирование, чтобы отследить траектории нескольких частиц космических лучей и изучить, как они взаимодействуют с окружающей плазмой, состоящей из электроны и протоны.

Моделирование противотока космических лучей на плазменном фоне и возбуждение плазменной неустойчивости.

Моделирование встречных космических лучей, падающих на плазменный фон и вызывающих нестабильность плазмы. Здесь показано распределение фоновых частиц, реагирующих на космические лучи, текущие в фазовом пространстве, которое охватывает положение частиц (горизонтальная ось) и скорость (вертикальная ось). Цветовое восприятие числовых плотностей и апертур фазового пространства является проявлением высокодинамической природы неустойчивости, которая рассеивается в хаотических движениях. Источник изображения: Шалаби/AIP

Когда исследователи изучали космические лучи, перемещающиеся от одной стороны моделирования к другой, они обнаружили новое явление, которое возбуждает электромагнитные волны в фоновой плазме. Эти волны оказывают воздействие на космические лучи, меняя их извилистые траектории.

READ  Новое исследование предполагает, что удары астероидов спровоцировали глобальное оледенение в далеком прошлом

Понимание космических лучей как коллективного явления

Самое главное, что это новое явление можно будет лучше понять, если принять во внимание, что космические лучи действуют не как отдельные частицы, а скорее поддерживают коллективную электромагнитную волну. Когда эта волна взаимодействует с фундаментальными фоновыми волнами, она сильно усиливается и происходит передача энергии.

«Эта точка зрения позволяет нам рассматривать космические лучи как излучение, а не как отдельные частицы в этом контексте, как первоначально думал Виктор Гесс», — говорит профессор Кристоф Пфромер, руководитель отдела космологии и астрофизики высоких энергий в AIP. .

Распределение движущей силы протонов и электронов

Распределение импульсов протонов (пунктирные линии) и электронов (сплошные линии). Здесь показано появление хвоста высокоэнергетических электронов при более медленно движущейся ударной волне. Это результат взаимодействия с электромагнитными волнами, генерируемыми недавно обнаруженными плазменными неустойчивостями (красный), которые отсутствуют в случае более быстрой ударной волны (черный). Поскольку только электроны высокой энергии производят наблюдаемое радиоизлучение, это подчеркивает важность понимания физики процесса ускорения. Источник изображения: Шалаби/AIP

Хорошей аналогией такого поведения является то, что отдельные молекулы воды вместе образуют волну, которая разбивается о берег. «Такой прогресс был достигнут только за счет рассмотрения ранее упущенных из виду более мелких масштабов, которые ставят под сомнение использование эффективных гидродинамических теорий при изучении плазменных процессов», — объясняет доктор Мохамед Шалаби.

Эффекты и приложения

Есть много применений недавно обнаруженной нестабильности плазмы, включая первое объяснение того, как электроны из межзвездной тепловой плазмы ускоряются до высоких энергий в остатках сверхновых.

«Недавно обнаруженная нестабильность плазмы представляет собой большой скачок в нашем понимании процесса ускорения и, наконец, объясняет, почему остатки сверхновых светятся в радио- и гамма-лучах», — говорит Мохамед Шалаби.

READ  SpaceX продолжает марш к 100 запускам за год

Более того, это новаторское открытие открывает дверь к более глубокому пониманию фундаментальных процессов передачи космических лучей в галактиках, что представляет собой величайшую загадку в нашем понимании процессов, которые формируют галактики во время их космической эволюции.

Использованная литература:

«Расшифровка физической основы мезомасштабной нестабильности», Мохамед Шалаби, Тимон Томас, Кристоф Пфромер, Реувен Леммерс и Вирджиния Брески, 12 декабря 2023 г., Журнал физики плазмы.
дои: 10.1017/S0022377823001289

«Эффективный механизм ускорения электронов при параллельных нерелятивистских ударных волнах», Мохамед Шалаби, Реувен Леммерс, Тимон Томас, Кристоф Пфромер, 4 мая 2022 г., Астрофизика > Астрофизические явления высоких энергий.
arXiv:2202.05288

«Новая нестабильность, вызванная космическими лучами», Мохамед Шалаби, Тимон Томас и Кристоф Пфромер, 24 февраля 2021 г., тот Астрофизический журнал.
дои: 10.3847/1538-4357/abd02d