Plazma kararsızlığı evrene bakışımızı nasıl değiştiriyor?

Leibniz Potsdam Astrofizik Enstitüsü’nden (AIP) bilim adamları yeni bir nesne keşfettiler plazma Bu istikrarsızlık, kozmik ışınların kökenine ve galaksiler üzerindeki dinamik etkilerine ilişkin anlayışımızda devrim yaratacak.

Geçen yüzyılın başında Victor Hess, kozmik ışınlar adı verilen ve daha sonra kendisine Nobel Ödülü kazandıran yeni bir olguyu keşfetti. Dünya atmosferinin Dünya’nın radyoaktivitesi nedeniyle iyonize olmadığını bulmak için yüksek irtifa balon uçuşları gerçekleştirdi. Bunun yerine iyonlaşmanın kökeninin dünya dışı olduğunu doğruladı. Daha sonra kozmik “ışınların”, uzaydan gelen ve ışık hızına yakın bir hızla hareket eden yüklü parçacıklardan oluştuğu belirlendi. radyasyon. Ancak bu sonuçların ardından “kozmik ışınlar” adı takıldı.

Kozmik ışın araştırmalarındaki son gelişmeler

Yeni çalışmada, AIP Enstitüsü’nden bir bilim adamı ve bu çalışmanın baş yazarı Dr. Mohamed Shalabi ve çalışma arkadaşları, çeşitli kozmik ışın parçacıklarının yollarını izlemek ve bunların çevredeki plazmadan oluşan plazma ile nasıl etkileşime girdiğini incelemek için sayısal simülasyonlar yürüttüler. elektronlar ve protonlar.

Plazma arka planına ters yönde akan ve plazma kararsızlığını tetikleyen kozmik ışınların simülasyonu. Burada, parçacık konumunu (yatay eksen) ve hızını (dikey eksen) kapsayan, faz uzayında akan kozmik ışınlara yanıt veren arka plan parçacıklarının dağılımı gösterilmektedir. Sayı yoğunluklarının ve faz alanı açıklıklarının renk algısı, rastgele hareketlerle dağılan kararsızlığın son derece dinamik doğasının tezahürleridir. Resim kaynağı: Shalabi/AIP

Araştırmacılar simülasyonun bir tarafından diğer tarafına giden kozmik ışınları incelediklerinde, arka plandaki plazmada elektromanyetik dalgaları harekete geçiren yeni bir olgu keşfettiler. Bu dalgalar kozmik ışınlara bir kuvvet uygulayarak dolambaçlı yollarını değiştirirler.

Kozmik ışınları kolektif fenomenler olarak anlamak

En önemlisi, kozmik ışınların tek tek parçacıklar olarak hareket etmediğini, kolektif bir elektromanyetik dalgayı desteklediğini düşünürsek bu yeni olgu daha iyi anlaşılabilir. Bu dalga temel arka plan dalgalarıyla etkileşime girdiğinde güçlü bir şekilde güçlendirilir ve enerji transferi gerçekleşir.

AIP Yüksek Enerji Kozmolojisi ve Astrofizik Bölümü Başkanı Profesör Christoph Pfromer, “Bu görüş, tıpkı Viktor Hess’in başlangıçta düşündüğü gibi, kozmik ışınların bu bağlamda bireysel parçacıklar olarak değil, radyasyon gibi davrandığını düşünmemize olanak tanıyor” diyor. .

Protonların (kesikli çizgiler) ve elektronların (düz çizgiler) momentum dağılımı. Burada, daha yavaş hareket eden bir şokta yüksek enerjili elektronlardan oluşan bir kuyruğun görünümü gösterilmektedir. Bu, daha hızlı şok durumunda (siyah) bulunmayan, yeni keşfedilen plazma kararsızlıkları (kırmızı) tarafından üretilen elektromanyetik dalgalarla etkileşimlerin bir sonucudur. Yalnızca yüksek enerjili elektronlar gözlemlenebilir radyo emisyonu ürettiğinden, bu, hızlanma sürecinin fiziğini anlamanın önemini vurgulamaktadır. Resim kaynağı: Shalabi/AIP

Bu davranışa iyi bir benzetme, bireysel su moleküllerinin toplu olarak kıyıda kırılan bir dalga oluşturmasıdır. Dr. Mohamed Shalabi şöyle açıklıyor: “Bu ilerleme yalnızca, plazma süreçlerini incelerken etkili hidrodinamik teorilerin kullanımını sorgulayan, daha önce gözden kaçırılan daha küçük ölçekler dikkate alınarak elde edildi.”

Etkiler ve uygulamalar

Yeni keşfedilen plazma kararsızlıkları için, yıldızlararası termal plazmadaki elektronların süpernova kalıntılarında nasıl yüksek enerjilere kadar hızlandırıldığına dair ilk açıklama da dahil olmak üzere birçok uygulama var.

Mohamed Shalabi, “Yeni keşfedilen plazma kararsızlığı, hızlanma sürecine dair anlayışımızda büyük bir sıçramayı temsil ediyor ve sonunda süpernova kalıntılarının neden radyo ve gama ışınlarında parladığını açıklıyor” diyor.

Üstelik bu öncü keşif, galaksilerdeki kozmik ışın iletiminin temel süreçlerinin daha derin anlaşılmasına kapıyı açıyor; bu, galaksileri kozmik evrimleri sırasında şekillendiren süreçlere dair anlayışımızdaki en büyük gizemi temsil ediyor.

Referanslar:

Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers ve Virginia Breschi tarafından “Orta ölçekli istikrarsızlığın fiziksel temelinin çözülmesi”, 12 Aralık 2023, Plazma Fiziği Dergisi.
doi: 10.1017/S0022377823001289

Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, “Paralel göreceli olmayan şoklarda etkili elektron hızlandırma mekanizması”, 4 Mayıs 2022, Astrofizik > Yüksek enerjili astrofizik olayları.
arXiv:2202.05288

Mohamed Shalabi, Timon Thomas ve Christoph Pfromer tarafından yazılan “Kozmik ışınların neden olduğu yeni bir istikrarsızlık”, 24 Şubat 2021, the Astrofizik Dergisi.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d