Hoe plasma-instabiliteit onze kijk op het universum verandert

Wetenschappers van het Leibniz Instituut voor Astrofysica Potsdam (AIP) hebben een nieuw object ontdekt plasma Deze instabiliteit zal een revolutie teweegbrengen in ons begrip van de oorsprong van kosmische straling en hun dynamische invloed op sterrenstelsels.

Aan het begin van de vorige eeuw ontdekte Victor Hess een nieuw fenomeen, kosmische straling genaamd, wat hem later een Nobelprijs opleverde. Hij voerde ballonvluchten op grote hoogte uit om te ontdekken dat de atmosfeer van de aarde niet geïoniseerd was als gevolg van de radioactiviteit van de aarde. In plaats daarvan bevestigde hij dat de oorsprong van ionisatie buitenaards was. Later werd vastgesteld dat kosmische ‘straling’ bestaat uit geladen deeltjes uit de ruimte die zich met bijna de snelheid van het licht voortbewegen in plaats van… straling. De naam “kosmische straling” bleef echter na deze resultaten hangen.

Recente ontwikkelingen in onderzoek naar kosmische straling

In de nieuwe studie voerden Dr. Mohamed Shalabi, een wetenschapper aan het AIP Instituut en hoofdauteur van deze studie, en zijn medewerkers numerieke simulaties uit om de paden van verschillende kosmische stralingsdeeltjes te volgen en te bestuderen hoe ze interageren met het omringende plasma dat bestaat uit elektronen en protonen.

Simulatie van kosmische straling die in tegengestelde richting stroomt op een plasmaachtergrond en plasma-instabiliteit veroorzaakt. Hier wordt de verdeling weergegeven van achtergronddeeltjes die reageren op kosmische straling die in de faseruimte stroomt, die de positie van de deeltjes (horizontale as) en snelheid (verticale as) omvat. Kleurperceptie van getalsdichtheden en faseruimte-openingen zijn manifestaties van de zeer dynamische aard van instabiliteit die in willekeurige bewegingen verdwijnt. Bron afbeelding: Shalabi/AIP

Toen de onderzoekers kosmische straling bestudeerden die van de ene kant van de simulatie naar de andere ging, ontdekten ze een nieuw fenomeen dat elektromagnetische golven in het achtergrondplasma opwekt. Deze golven oefenen een kracht uit op kosmische straling, waardoor hun kronkelende paden veranderen.

Kosmische straling begrijpen als collectieve verschijnselen

Het belangrijkste is dat dit nieuwe fenomeen beter kan worden begrepen als we bedenken dat kosmische straling niet als individuele deeltjes werkt, maar eerder een collectieve elektromagnetische golf ondersteunt. Wanneer deze golf interageert met fundamentele achtergrondgolven, wordt deze sterk versterkt en vindt er energieoverdracht plaats.

“Deze opvatting stelt ons in staat kosmische straling te beschouwen als een soort straling en niet als individuele deeltjes in deze context, zoals Viktor Hess oorspronkelijk dacht”, zegt professor Christoph Pfromer, hoofd van de afdeling Hoge-Energie Kosmologie en Astrofysica bij AIP. .

Momentumverdeling van protonen (stippellijnen) en elektronen (ononderbroken lijnen). Hier is het uiterlijk te zien van een staart van hoogenergetische elektronen bij een langzamer bewegende schok. Dit is het resultaat van interacties met elektromagnetische golven die worden gegenereerd door de nieuw ontdekte plasma-instabiliteiten (rood), die afwezig zijn in het geval van de snellere schok (zwart). Omdat alleen hoogenergetische elektronen waarneembare radio-emissie produceren, benadrukt dit het belang van het begrijpen van de fysica van het versnellingsproces. Bron afbeelding: Shalabi/AIP

Een goede analogie voor dit gedrag is dat individuele watermoleculen gezamenlijk een golf vormen die aan de kust breekt. “Deze vooruitgang is alleen bereikt door eerder over het hoofd geziene kleinere schaalniveaus, die het gebruik van effectieve hydrodynamische theorieën bij het bestuderen van plasmaprocessen in twijfel trekken”, legt Dr. Mohamed Shalabi uit.

Effecten en toepassingen

Er zijn veel toepassingen voor de nieuw ontdekte plasma-instabiliteiten, waaronder de eerste verklaring van hoe elektronen uit interstellair thermisch plasma worden versneld tot hoge energieën in supernovaresten.

“De nieuw ontdekte plasma-instabiliteit vertegenwoordigt een grote sprong voorwaarts in ons begrip van het versnellingsproces en verklaart uiteindelijk waarom supernovaresten schitteren in radio- en gammastraling”, zegt Mohamed Shalabi.

Bovendien opent deze baanbrekende ontdekking de deur naar een dieper begrip van de fundamentele processen van de transmissie van kosmische straling in sterrenstelsels, wat het grootste mysterie vertegenwoordigt in ons begrip van de processen die sterrenstelsels vormen tijdens hun kosmische evolutie.

Referenties:

“Het ontcijferen van de fysieke basis van instabiliteit op mesoschaal” door Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers en Virginia Breschi, 12 december 2023, Tijdschrift voor Plasmafysica.
doi: 10.1017/S0022377823001289

“Effectief elektronenversnellingsmechanisme bij parallelle niet-relativistische schokken” door Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 mei 2022, Astrofysica > Astrofysische verschijnselen met hoge energie.
arXiv:2202.05288

“Een nieuwe instabiliteit veroorzaakt door kosmische straling” door Mohamed Shalabi, Timon Thomas en Christoph Pfromer, 24 februari 2021, de Astrofysisch tijdschrift.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d