Моделирование встречных космических лучей по фоновой плазме, вызывающих нестабильность плазмы. Показано распределение фоновых частиц, реагирующих на потоки космических лучей, в фазовом пространстве, которое определяется положением частиц (горизонтальная ось) и скоростью (вертикальная ось). Цвета визуализируют числовую плотность, а дыры в фазовом пространстве являются проявлением высокодинамической природы неустойчивости, которая рассеивает упорядоченные движения в случайные движения. Фото: Шалаби/АИП
Ученые из Института астрофизики Лейбница в Потсдаме (AIP) обнаружили новую нестабильность плазмы, которая обещает революционизировать наше понимание происхождения космических лучей и их динамического воздействия на галактики.
В начале прошлого века Виктор Гесс открыл новое явление, названное космическими лучами, которое впоследствии принесло ему Нобелевскую премию. Он провел высотные полеты на воздушном шаре и обнаружил, что атмосфера Земли не ионизируется радиоактивностью земли. Вместо этого он подтвердил, что происхождение ионизации было внеземным. Впоследствии было установлено, что космические «лучи» состоят не из излучения, а из заряженных частиц из космоса, летящих со скоростью, близкой к скорости света. Однако название «космические лучи» пережило эти открытия.
В новом исследовании доктор Мохамад Шалаби, ученые из AIP и главный автор этого исследования, и его сотрудники выполнили численное моделирование, чтобы проследить траектории многих частиц космических лучей и изучить, как они взаимодействуют с окружающей плазмой, состоящей из электронов и протоны. Статья появится на сервере препринтов arXiv.
Когда исследователи изучали космические лучи, летящие от одной стороны моделирования к другой, они обнаружили новое явление, которое возбуждает электромагнитные волны в фоновой плазме. Эти волны оказывают воздействие на космические лучи, меняя их извилистые траектории.
Распределение импульсов протонов (пунктирные линии) и электронов (сплошные линии). Показано возникновение высокоэнергетического хвоста электронов при более медленно движущейся ударной волне. Фото: Шалаби/АИП
Самое главное, что это новое явление можно будет лучше понять, если мы будем считать, что космические лучи действуют не как отдельные частицы, а как поддерживающие коллективную электромагнитную волну. Поскольку эта волна взаимодействует с фундаментальными волнами на заднем плане, они сильно усиливаются и происходит передача энергии.
«Это открытие позволяет нам рассматривать космические лучи как излучение, а не как отдельные частицы в этом контексте, как первоначально считал Виктор Гесс», — отмечает профессор Кристоф Пфроммер, руководитель отдела космологии и астрофизики высоких энергий в AIP. . Хорошей аналогией такого поведения являются отдельные молекулы воды, коллективно образующие волну, которая разбивается о берег.
«Этот прогресс стал возможен только благодаря рассмотрению меньших масштабов, которые ранее упускались из виду и которые ставят под сомнение использование эффективных гидродинамических теорий при изучении плазменных процессов», — объясняет доктор Мохамад Шалаби.
Существует множество применений этой недавно открытой нестабильности плазмы, включая первое объяснение того, как электроны из тепловой межзвездной плазмы могут ускоряться до высоких энергий в остатках сверхновых.
«Эта недавно обнаруженная нестабильность плазмы представляет собой значительный скачок в нашем понимании процесса ускорения и, наконец, объясняет, почему эти остатки сверхновых светятся в радио- и гамма-лучах», — сообщает Мохамад Шалаби. Более того, это революционное открытие открывает дверь к более глубокому пониманию фундаментальных процессов переноса космических лучей в галактиках, что представляет собой величайшую загадку в нашем понимании процессов, формирующих галактики в ходе их космической эволюции.
Информация от: Потсдамским институтом астрофизики Лейбница.
