Как нестабильность плазмы меняет наш взгляд на Вселенную

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 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.

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 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.

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