Ученые обнаружили новую нестабильность плазмы, которая произвела революцию в нашем понимании космических лучей. Открытие показало, 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 через галактики и их роли в их эволюции.

Ученые из Института астрофизики Лейбница в Потсдаме (AIP) обнаружили новую нестабильность плазмы, которая обещает революционизировать наше понимание происхождения космических лучей и их влияния на динамику галактик.

В начале прошлого века Виктор Гесс открыл новое явление, названное космическими лучами, за что получил Нобелевскую премию. Он совершил высотные полеты на воздушном шаре и обнаружил, что атмосфера Земли не ионизируется радиоактивностью земли. Вместо этого он подтвердил, что ионизация имеет внеземное происхождение. Впоследствии было установлено, что космические «лучи» состоят из заряженных частиц из космоса, движущихся почти со скоростью света, а не из излучения. Однако название «космические лучи» не использовалось до тех пор, пока не были сделаны эти открытия.

В новом исследовании доктор Мохамад Шалаби, ученый из AIP и ведущий автор исследования, и его сотрудники выполнили численное моделирование, чтобы отследить траектории многих частиц космических лучей и изучить, как эти частицы взаимодействуют с окружающей плазмой, состоящей из электронов и протонов.

Моделируйте противотоки космических лучей, поражающие фоновую плазму и стимулирующие нестабильность плазмы. Показано распределение фоновых частиц, реагирующих на поток космических лучей, в фазовом пространстве, которое охватывает положение частиц (горизонтальная ось) и скорость (вертикальная ось). Цвета визуально показывают плотность числа частиц, а пустоты фазового пространства олицетворяют высокодинамическую природу неустойчивости, которая превращает упорядоченное движение в хаотическое. Источник: Шалаби/АИП

Когда исследователи изучали космические лучи, летящие 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 запутанные пути.

Понимание космических лучей как коллективного явления

Самое главное, что это новое явление можно лучше всего понять, если мы будем думать о космических лучах не как об отдельных частицах, а как о поддерживающих коллективную электромагнитную волну. Когда эта электромагнитная волна взаимодействует с фундаментальными волнами на заднем плане, эти фундаментальные волны сильно усиливаются и происходит передача энергии.

Профессор Кристоф Пфроммер, директор департамента космологии и астрофизики высоких энергий AIP, сказал: «Это открытие позволяет нам рассматривать космические лучи как излучение, а не как отдельные частицы».

Распределение импульсов протонов (пунктирные линии) и электронов (сплошные линии). Здесь показан высокоэнергетический хвост электронов в медленно движущейся ударной волне. Это результат взаимодействия с электромагнитными волнами, создаваемыми недавно обнаруженными нестабильностями плазмы (красный), которые отсутствуют в более быстрых ударных волнах (черный). Поскольку только электроны высоких энергий производят наблюдаемое радиоизлучение, это демонстрирует важность понимания физики процесса ускорения. Источник: Шалаби/АИП

«Хорошей метафорой такого поведения является волна, образованная отдельными молекулами воды, устремляющимися к берегу», — объясняет доктор Мохамад Шалаби. «Этот прогресс стал возможен только благодаря принятию во внимание меньших масштабов, которые ранее упускались из виду, и постановке под сомнение использование эффективной гидродинамической теории при изучении плазменных процессов».

Влияние и применение

Эта недавно обнаруженная нестабильность плазмы имеет множество применений, в том числе впервые объясняет, как электроны в горячей межзвездной плазме ускоряются до высоких энергий в остатках сверхновых.

Мохамад Шалаби сообщает: «Эта недавно обнаруженная нестабильность плазмы является большим шагом вперед в нашем понимании процессов ускорения и в конечном итоге объясняет, почему эти остатки сверхновых сверкают в радио- и гамма-лучах».

Кроме того, это революционное открытие открывает дверь к более глубокому пониманию фундаментального процесса передачи космических лучей в галактиках, который является самой большой загадкой в ​​нашем понимании того, как формировались галактики в ходе эволюции Вселенной.

Ссылки

«Расшифровка физической основы нестабильности промежуточного масштаба», Мохамад Шалаби, Тимон Томас, Кристоф Пфроммер, Рувен Лемерз и Вирджиния Бреши, 12 декабря 2023 г., Журнал физики плазмы.

doi:10.1017/s0022377823001289

«Механизм эффективного ускорения электронов при параллельных нерелятивистских воздействиях», в соавторстве с Мохамадом Шалаби, Рувеном Лемерзом, Тимоном Томасом и Кристофом Пфроммером, 4 мая 2022 г., «Астрофизика» > «Астрофизические явления высоких энергий».

arXiv:2202.05288

«Новые нестабильности, вызванные космическими лучами», Мохамад Шалаби, Тимон Томас и Кристоф Пфроммер, 24 февраля 2021 г., «Астрофизический журнал».

DOI: 10.3847/1538-4357/abd02d

Источник составления: ScitechDaily.