Plazma i jej niestabilność pomoże zrozumieć naturę promieniowania kosmicznego
Naukowcy z Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) odkryli nową niestabilność jaką charakteryzuje się plazma, która może zrewolucjonizować zrozumienie pochodzenia promieniowania kosmicznego i jego wpływu na galaktyki.
Na początku ubiegłego wieku Victor Hess odkrył nowe zjawisko zwane promieniowaniem kosmicznym, które później przyniosło mu Nagrodę Nobla. Przeprowadził loty balonem na dużych wysokościach, aby odkryć, że atmosfera ziemska nie jest jonizowana przez radioaktywność Ziemi. Zamiast tego potwierdził, że źródło jonizacji było pozaziemskie. Następnie ustalono, że „promieniowanie” to składa się z naładowanych cząstek z lecących z kosmosu z prędkością bliską prędkości światła, a nie samego promieniowania. Jednak nazwa „promieniowanie kosmiczne” przetrwała te odkrycia.
W nowym badaniu dr Mohamad Shalaby, naukowiec z AIP, wraz z zespołem przeprowadzili symulacje numeryczne, aby śledzić trajektorie cząstek promieniowania kosmicznego i zbadać, w jaki sposób oddziałują one z plazmą składającą się z elektronów i protonów. Badanie ukazało się w serwisie arXiv.
Naukowcy badając promieniowanie kosmiczne przelatujące z jednej strony symulacji na drugą, odkryli nowe zjawisko, które indukuje fale elektromagnetyczne w plazmie. Fale te wywierają siłę na promieniowanie kosmiczne, a właściwie na cząstki, z którego się składa, co zmienia ich ścieżki lotu.
To nowe zjawisko można najlepiej zrozumieć, biorąc pod uwagę, że promieniowanie kosmiczne nie działa jako pojedyncze cząstki, ale zamiast tego przybiera formę zbiorowej fali elektromagnetycznej. Kiedy wchodzi ona w interakcję z falami fundamentalnymi w tle, są one silnie wzmacniane i następuje transfer energii.
„Ten wgląd pozwala nam myśleć o promieniowaniu kosmicznym jak o promieniowaniu, a nie pojedynczych cząstkach, jak pierwotnie sądził Victor Hess. Dobrą analogią dla tego zachowania są pojedyncze cząsteczki wody wspólnie tworzące falę, która rozbija się o brzeg” – zauważa profesor Christoph Pfrommer, szef sekcji kosmologii i astrofizyki wysokich energii w AIP.
„Postęp ten został osiągnięty tylko dzięki uwzględnieniu mniejszych skal, które wcześniej były pomijane i które stanowią wyzwanie dla wykorzystania efektywnych teorii hydrodynamicznych podczas badania procesów plazmowych” – wyjaśnia dr Mohamad Shalaby.
Istnieje wiele zastosowań tej nowo odkrytej niestabilności jaką charakteryzuje się plazma, w tym pierwsze wyjaśnienie, w jaki sposób elektrony z termicznej plazmy międzygwiazdowej mogą być przyspieszane do wysokich energii w pozostałościach po supernowych. „Ta nowo odkryta niestabilność plazmy stanowi znaczący skok w naszym rozumieniu procesu przyspieszania i ostatecznie wyjaśnia, dlaczego pozostałości po supernowych świecą w promieniach radiowych i gamma” – tłumaczy Mohamad Shalaby.
To przełomowe odkrycie otwiera drzwi do głębszego zrozumienia podstawowych procesów transportu promieniowania kosmicznego w galaktykach, co jest największą tajemnicą w rozumieniu procesów, które kształtują galaktyki podczas ich kosmicznej ewolucji.
Emil Gołoś
