Zinātnieki ir atklājuši jaunu plazmas nestabilitātes stāvokli, mainot mūsu izpratni par kosmiskajiem stariem. Šis izrāviens atklāj, ka kosmiskie stari rada elektromagnētiskos viļņus plazmā, ietekmējot tās ceļus. Šī kosmisko staru kolektīvā uzvedība, kas ir līdzīga ūdens molekulu veidotajiem viļņiem, izaicina iepriekšējās teorijas un sola sniegt ieskatu kosmisko staru transportēšanā galaktikās un to lomai galaktiku evolūcijā. Kredīts: SciTechDaily.com
Zinātnieki no Leibnicas Astrofizikas institūta Potsdamas (AIP) ir atklājuši jaunu objektu plazma Šī nestabilitāte mainīs mūsu izpratni par kosmisko staru izcelsmi un to dinamisko ietekmi uz galaktikām.
Pagājušā gadsimta sākumā Viktors Hess atklāja jaunu fenomenu, ko sauc par kosmiskajiem stariem, kas vēlāk viņam atnesa Nobela prēmiju. Viņš veica lidojumus augstkalnu gaisa balonā, lai konstatētu, ka Zemes atmosfēra nav jonizēta Zemes radioaktivitātes dēļ. Tā vietā viņš apstiprināja, ka jonizācijas izcelsme ir ārpuszemes. Vēlāk tika noteikts, ka kosmiskie “stari” sastāv no lādētām daļiņām no kosmosa, kas pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, nevis… starojums. Tomēr nosaukums “kosmiskie stari” palika pēc šiem rezultātiem.
Jaunākie sasniegumi kosmisko staru izpētē
Jaunajā pētījumā Dr. Mohameds Šalabi, AIP institūta zinātnieks un šī pētījuma vadošais autors, un viņa līdzstrādnieki veica skaitliskas simulācijas, lai izsekotu vairāku kosmisko staru daļiņu ceļus un izpētītu, kā tās mijiedarbojas ar apkārtējo plazmu, kas sastāv no elektroni un protoni.
Kosmisko staru simulācija, kas plūst pretī plazmas fonam un izraisa plazmas nestabilitāti. Šeit parādīts fona daļiņu sadalījums, kas reaģē uz kosmiskajiem stariem, kas plūst fāzes telpā, kas aptver daļiņu pozīciju (horizontālā ass) un ātrumu (vertikālā ass). Skaitļu blīvumu un fāzu telpas apertūru krāsu uztvere ir nestabilitātes ļoti dinamiskā rakstura izpausmes, kas izkliedējas nejaušās kustībās. Attēla avots: Šalabi/AIP
Kad pētnieki pētīja kosmiskos starus, kas pārvietojas no vienas simulācijas puses uz otru, viņi atklāja jaunu parādību, kas ierosina elektromagnētiskos viļņus fona plazmā. Šie viļņi iedarbojas uz kosmiskajiem stariem, mainot to līkumotus ceļus.
Izpratne par kosmiskajiem stariem kā kolektīvām parādībām
Vissvarīgākais ir tas, ka šo jauno parādību var labāk izprast, ja ņemam vērā, ka kosmiskie stari nedarbojas kā atsevišķas daļiņas, bet gan atbalsta kolektīvu elektromagnētisko vilni. Kad šis vilnis mijiedarbojas ar pamata fona viļņiem, tas tiek spēcīgi pastiprināts un notiek enerģijas pārnešana.
“Šis uzskats ļauj mums uzskatīt, ka kosmiskie stari darbojas kā starojums, nevis kā atsevišķas daļiņas šajā kontekstā, tāpat kā Viktors Hess sākotnēji domāja,” saka profesors Kristofs Pfromers, AIP Augstas enerģijas kosmoloģijas un astrofizikas katedras vadītājs. .
Protonu (pārtrauktās līnijas) un elektronu (nepārtrauktās līnijas) impulsu sadalījums. Šeit parādīts augstas enerģijas elektronu astes izskats lēnāk kustīgā triecienā. Tas ir rezultāts mijiedarbībai ar elektromagnētiskajiem viļņiem, ko rada jaunatklātās plazmas nestabilitātes (sarkanā krāsa), kuras nav ātrāka trieciena gadījumā (melna). Tā kā tikai augstas enerģijas elektroni rada novērojamu radio emisiju, tas uzsver, cik svarīgi ir izprast paātrinājuma procesa fiziku. Attēla avots: Šalabi/AIP
Laba līdzība šai uzvedībai ir tāda, ka atsevišķas ūdens molekulas kopā veido vilni, kas plīst krastā. “Šis progress ir sasniegts, tikai ņemot vērā iepriekš neievērotos mazākos mērogus, kas liek apšaubīt efektīvu hidrodinamisko teoriju izmantošanu, pētot plazmas procesus,” skaidro Dr. Mohameds Šalabi.
Efekti un pielietojumi
Ir daudz pielietojumu jaunatklātajām plazmas nestabilitātēm, tostarp pirmais skaidrojums par to, kā starpzvaigžņu termiskās plazmas elektroni tiek paātrināti līdz lielai enerģijai supernovas paliekās.
“Jaunatklātā plazmas nestabilitāte ir liels lēciens mūsu izpratnē par paātrinājuma procesu un visbeidzot izskaidro, kāpēc supernovas paliekas spīd radio un gamma staros,” saka Mohameds Šalabi.
Turklāt šis novatoriskais atklājums paver durvis dziļākai izpratnei par kosmisko staru pārraides pamatprocesiem galaktikās, kas ir lielākais noslēpums mūsu izpratnē par procesiem, kas veido galaktikas to kosmiskās evolūcijas laikā.
Atsauces:
Mohameds Šalabi, Timons Tomass, Kristofs Pfromers, Rūvens Lemmers un Virdžīnija Breši “Mezoskalas nestabilitātes fiziskā pamata atšifrēšana”, 2023. gada 12. decembris, Plazmas fizikas žurnāls.
doi: 10.1017/S0022377823001289
Mohameds Šalabi, Rūvens Lemmers, Timons Tomass, Kristofs Pfromers, “Efektīvs elektronu paātrinājuma mehānisms paralēlos nerelativistiskajos triecienos”, 2022. gada 4. maijs, Astrofizika > Augstas enerģijas astrofizikas parādības.
arXiv: 2202.05288
Mohameds Šalabi, Timons Tomass un Kristofs Pfromers “Jauna nestabilitāte, ko izraisa kosmiskie stari”, 2021. gada 24. februāris, uz Astrofizikas žurnāls.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d
