Leibnizo Potsdamo astrofizikos instituto (AIP) mokslininkai atrado naują objektą plazma Šis nestabilumas pakeis mūsų supratimą apie kosminių spindulių kilmę ir jų dinaminę įtaką galaktikoms.

Praėjusio šimtmečio pradžioje Viktoras Hessas atrado naują reiškinį, vadinamą kosminiais spinduliais, kuris vėliau jam pelnė Nobelio premiją. Jis atliko skrydžius dideliame aukštyje oro balionu, kad išsiaiškintų, jog Žemės atmosfera nebuvo jonizuota dėl Žemės radioaktyvumo. Vietoj to jis patvirtino, kad jonizacijos kilmė buvo nežemiška. Vėliau buvo nustatyta, kad kosminiai „spinduliai“ susideda iš įkrautų dalelių iš kosmoso, skriejančių artimu šviesos greičiu, o ne… radiacija. Tačiau po šių rezultatų įstrigo pavadinimas „kosminiai spinduliai“.

Naujausi kosminių spindulių tyrimų pokyčiai

Naujajame tyrime daktaras Mohamedas Shalabi, AIP instituto mokslininkas ir pagrindinis šio tyrimo autorius, ir jo bendradarbiai atliko skaitmeninius modeliavimus, siekdami sekti kelių kosminių spindulių dalelių kelius ir ištirti, kaip jos sąveikauja su supančia plazma, kurią sudaro elektronai ir protonai.

Kosminių spindulių, tekančių priešingai į plazmos foną ir sukeliančių plazmos nestabilumą, modeliavimas. Čia parodytas fono dalelių, reaguojančių į kosminius spindulius, tekančius fazinėje erdvėje, pasiskirstymas, apimantis dalelių padėtį (horizontalioji ašis) ir greitį (vertikali ašis). Skaičių tankio ir fazių erdvės apertūrų spalvų suvokimas yra labai dinamiško nestabilumo, kuris išsisklaido atsitiktiniais judesiais, pobūdis. Vaizdo šaltinis: Shalabi/AIP

Kai mokslininkai tyrė kosminius spindulius, keliaujančius iš vienos modelio pusės į kitą, jie atrado naują reiškinį, kuris sužadina elektromagnetines bangas foninėje plazmoje. Šios bangos veikia kosminius spindulius, pakeisdamos jų vingiuotus kelius.

Kosminių spindulių kaip kolektyvinių reiškinių supratimas

Svarbiausia, kad šį naują reiškinį būtų galima geriau suprasti, jei manome, kad kosminiai spinduliai veikia ne kaip atskiros dalelės, o palaiko kolektyvinę elektromagnetinę bangą. Kai ši banga sąveikauja su pagrindinėmis foninėmis bangomis, ji stipriai sustiprėja ir įvyksta energijos perdavimas.

„Šis požiūris leidžia mums laikyti, kad kosminiai spinduliai šiame kontekste elgiasi kaip spinduliuotė, o ne kaip atskiros dalelės, kaip iš pradžių manė Viktoras Hessas“, – sako profesorius Christophas Pfromeris, AIP Didelės energijos kosmologijos ir astrofizikos katedros vadovas. .

Protonų (punktyrinės linijos) ir elektronų (ištisinės linijos) impulsų pasiskirstymas. Čia parodyta didelės energijos elektronų uodegos atsiradimas lėčiau judant. Taip yra dėl sąveikos su elektromagnetinėmis bangomis, kurias sukuria naujai atrasti plazmos nestabilumai (raudona spalva), kurių nėra greitesnio smūgio atveju (juoda). Kadangi tik didelės energijos elektronai sukuria stebimą radijo spinduliuotę, tai pabrėžia, kaip svarbu suprasti pagreičio proceso fiziką. Vaizdo šaltinis: Shalabi/AIP

Gera šio elgesio analogija yra ta, kad atskiros vandens molekulės kartu sudaro bangą, kuri lūžta krante. „Ši pažanga buvo pasiekta tik įvertinus anksčiau nepastebėtas mažesnes skales, kurios kelia abejonių dėl veiksmingų hidrodinaminių teorijų panaudojimo tiriant plazmos procesus“, – aiškina dr. Mohamedas Shalabi.

Efektai ir programos

Yra daug pritaikymų naujai atrastam plazmos nestabilumui, įskaitant pirmąjį paaiškinimą, kaip elektronai iš tarpžvaigždinės šiluminės plazmos yra pagreitinami iki didelės energijos supernovos liekanose.

„Naujai atrastas plazmos nestabilumas yra didelis šuolis mūsų supratime apie pagreitėjimo procesą ir galiausiai paaiškina, kodėl supernovos liekanos šviečia radijo ir gama spinduliuose“, – sako Mohamedas Shalabi.

Be to, šis novatoriškas atradimas atveria duris gilesniam supratimui apie pagrindinius kosminių spindulių perdavimo galaktikose procesus, o tai yra didžiausia paslaptis mūsų supratimui apie procesus, kurie formuoja galaktikas jų kosminės evoliucijos metu.

Nuorodos:

Mohamedo Shalabi, Timono Thomaso, Christopho Pfromerio, Reuveno Lemmerso ir Virginia Breschi knyga „Fizinio mezoskalės nestabilumo pagrindo iššifravimas“, 2023 m. gruodžio 12 d. Plazmos fizikos žurnalas.
doi: 10.1017 / S0022377823001289

„Efektyvus elektronų pagreičio mechanizmas lygiagrečių nereliatyvistinių smūgių metu“, autorius Mohamedas Shalabi, Reuvenas Lemmersas, Timonas Thomasas, Christophas Pfromeris, 2022 m. gegužės 4 d. Astrofizika > Didelės energijos astrofiziniai reiškiniai.
arXiv: 2202.05288

Mohamedo Shalabi, Timono Thomaso ir Christopho Pfromerio „Naujas nestabilumas, kurį sukelia kosminiai spinduliai“, 2021 m. vasario 24 d. į Astrofizikos žurnalas.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d