Wie Plasmainstabilität unsere Sicht auf das Universum verändert

Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) haben ein neues Objekt entdeckt Plasma Diese Instabilität wird unser Verständnis des Ursprungs der kosmischen Strahlung und ihres dynamischen Einflusses auf Galaxien revolutionieren.

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckte Victor Hess ein neues Phänomen namens kosmische Strahlung, das ihm später den Nobelpreis einbrachte. Er führte Ballonflüge in großer Höhe durch und stellte fest, dass die Erdatmosphäre aufgrund der Radioaktivität der Erde nicht ionisiert war. Stattdessen bestätigte er, dass der Ursprung der Ionisierung außerirdisch sei. Später wurde festgestellt, dass kosmische „Strahlen“ aus geladenen Teilchen aus dem Weltraum bestehen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, und nicht aus … Strahlung. Nach diesen Ergebnissen blieb jedoch der Name „kosmische Strahlung“ hängen.

Aktuelle Entwicklungen in der Forschung zur kosmischen Strahlung

In der neuen Studie führten Dr. Mohamed Shalabi, Wissenschaftler am AIP-Institut und Hauptautor dieser Studie, und seine Mitarbeiter numerische Simulationen durch, um die Bahnen mehrerer Teilchen der kosmischen Strahlung zu verfolgen und zu untersuchen, wie sie mit dem umgebenden Plasma aus Elektronen interagieren und Protonen.

Simulation kosmischer Strahlung, die gegen einen Plasmahintergrund fließt und Plasmainstabilität auslöst. Hier ist die Verteilung der Hintergrundteilchen dargestellt, die auf die im Phasenraum fließende kosmische Strahlung reagieren, der die Teilchenposition (horizontale Achse) und die Geschwindigkeit (vertikale Achse) umfasst. Die Farbwahrnehmung von Zahlendichten und Phasenraumaperturen sind Ausdruck der hochdynamischen Natur der Instabilität, die sich in zufälligen Bewegungen auflöst. Bildquelle: Shalabi/AIP

Als die Forscher die kosmische Strahlung untersuchten, die von einer Seite der Simulation zur anderen wanderte, entdeckten sie ein neues Phänomen, das elektromagnetische Wellen im Hintergrundplasma anregt. Diese Wellen üben eine Kraft auf die kosmische Strahlung aus und verändern ihre gewundenen Bahnen.

Kosmische Strahlung als kollektives Phänomen verstehen

Vor allem lässt sich dieses neue Phänomen besser verstehen, wenn man bedenkt, dass kosmische Strahlung nicht als einzelne Teilchen wirkt, sondern eine kollektive elektromagnetische Welle unterstützt. Wenn diese Welle mit fundamentalen Hintergrundwellen interagiert, wird sie stark verstärkt und es kommt zu einer Energieübertragung.

„Diese Sichtweise ermöglicht es uns, kosmische Strahlung als ein Verhalten wie Strahlung und nicht als einzelne Teilchen in diesem Zusammenhang zu betrachten, so wie Viktor Hess ursprünglich dachte“, sagt Professor Christoph Pfromer, Leiter der Abteilung für Hochenergiekosmologie und Astrophysik am AIP. .

Impulsverteilung von Protonen (gestrichelte Linien) und Elektronen (durchgezogene Linien). Hier ist das Erscheinen eines Schweifs hochenergetischer Elektronen bei einem sich langsamer bewegenden Stoß zu sehen. Dies ist ein Ergebnis von Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Wellen, die durch die neu entdeckten Plasmainstabilitäten (rot) erzeugt werden, die im Fall des schnelleren Schocks (schwarz) fehlen. Da nur hochenergetische Elektronen beobachtbare Radioemissionen erzeugen, unterstreicht dies, wie wichtig es ist, die Physik des Beschleunigungsprozesses zu verstehen. Bildquelle: Shalabi/AIP

Eine gute Analogie für dieses Verhalten ist, dass einzelne Wassermoleküle gemeinsam eine Welle bilden, die am Ufer bricht. „Dieser Fortschritt wurde nur durch die Berücksichtigung bisher übersehener kleinerer Maßstäbe erreicht, die den Einsatz effektiver hydrodynamischer Theorien bei der Untersuchung von Plasmaprozessen in Frage stellen“, erklärt Dr. Mohamed Shalabi.

Wirkungen und Anwendungen

Es gibt viele Anwendungen für die neu entdeckten Plasmainstabilitäten, einschließlich der ersten Erklärung, wie Elektronen aus interstellarem thermischem Plasma in Supernova-Überresten auf hohe Energien beschleunigt werden.

„Die neu entdeckte Plasmainstabilität stellt einen großen Sprung in unserem Verständnis des Beschleunigungsprozesses dar und erklärt endlich, warum Supernova-Überreste in Radio- und Gammastrahlen leuchten“, sagt Mohamed Shalabi.

Darüber hinaus öffnet diese bahnbrechende Entdeckung die Tür zu einem tieferen Verständnis der grundlegenden Prozesse der Übertragung kosmischer Strahlung in Galaxien, was das größte Rätsel in unserem Verständnis der Prozesse darstellt, die Galaxien während ihrer kosmischen Entwicklung formen.

Verweise:

„Entschlüsselung der physikalischen Basis mesoskaliger Instabilität“ von Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers und Virginia Breschi, 12. Dezember 2023, Zeitschrift für Plasmaphysik.
doi: 10.1017/S0022377823001289

„Effektiver Elektronenbeschleunigungsmechanismus bei parallelen nichtrelativistischen Schocks“ von Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4. Mai 2022, Astrophysik > Astrophysikalische Phänomene mit hoher Energie.
arXiv:2202.05288

„Eine neue Instabilität durch kosmische Strahlung“ von Mohamed Shalabi, Timon Thomas und Christoph Pfromer, 24. Februar 2021, Die Astrophysikalisches Journal.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d