كيف يغير عدم استقرار البلازما نظرتنا للكون

اكتشف العلماء في معهد لايبنيز للفيزياء الفلكية بوتسدام (AIP) شيئًا جديدًا. بلازما حالة من عدم الاستقرار من شأنها أن تحدث ثورة في فهمنا لأصل الأشعة الكونية وتأثيرها الديناميكي على المجرات.

وفي بداية القرن الماضي اكتشف فيكتور هيس ظاهرة جديدة تسمى الأشعة الكونية، مما أكسبه جائزة نوبل. أجرى رحلات منطاد على ارتفاعات عالية ليكتشف أن الغلاف الجوي للأرض لم يتأين بسبب الإشعاع الأرضي. وبدلا من ذلك، أكد أن أصل التأين هو خارج كوكب الأرض. وفي وقت لاحق، تم تحديد أن “الأشعة” الكونية تتكون من جسيمات مشحونة من الفضاء تسافر بسرعة قريبة من سرعة الضوء. إشعاع. ومع ذلك، فإن اسم “الأشعة الكونية” صمد بعد هذه الاكتشافات.

التطورات الحديثة في أبحاث الأشعة الكونية

في الدراسة الجديدة، علماء من AIP والمؤلف الرئيسي للدراسة، د. أجرى محمد شلبي ومعاونوه عمليات محاكاة رقمية لتتبع مسارات العديد من جسيمات الأشعة الكونية ودراسة كيفية تفاعلها مع الإلكترونات والبلازما المحيطة. البروتونات.

تثير محاكاة الأشعة الكونية التدفق المضاد وعدم استقرار البلازما مقابل بلازما الخلفية. يظهر هنا توزيع جسيمات الخلفية التي تستجيب للأشعة الكونية المتدفقة في مساحة طور ممتدة حسب موضع الجسيم (المحور الأفقي) والسرعة (المحور الرأسي). تصور الألوان كثافة الأرقام وفجوات فجوة الطور هي مظاهر للطبيعة الديناميكية للغاية لعدم الاستقرار الذي يذوب في حركات عشوائية. مصدر الصورة: شلبي/AIP

وعندما فحص الباحثون الأشعة الكونية المتطايرة من جانب المحاكاة إلى الجانب الآخر، اكتشفوا ظاهرة جديدة تثير الموجات الكهرومغناطيسية في بلازما الخلفية. تمارس هذه الموجات قوة على الأشعة الكونية التي تغير مسارات دورانها.

فهم الأشعة الكونية كظواهر جماعية

والأهم من ذلك، أنه يمكن فهم هذه الظاهرة الجديدة بشكل أفضل إذا افترضنا أن الأشعة الكونية لا تعمل كجزيئات فردية، ولكنها تدعم بدلاً من ذلك موجة كهرومغناطيسية جماعية. عندما تتفاعل هذه الموجة مع الموجات الأساسية في الخلفية، يتم تضخيمها بقوة ويتم نقل الطاقة.

يقول البروفيسور كريستوف بفرومر، رئيس قسم علم الكونيات والفيزياء الفلكية عالية الطاقة في AIP: “هذه الفكرة القائلة بأن الأشعة الكونية تتصرف مثل الإشعاع، ولكن ليس الجسيمات الفردية في هذه البيئة، كان يعتقدها لأول مرة فيكتور هيس”. .

توزيع عزم البروتونات (الخطوط المتقطعة) والإلكترونات (الخطوط الصلبة). وقد تبين أن ذيل الإلكترونات عالي الطاقة يظهر في صدمة بطيئة الحركة. وهذا نتيجة تفاعل عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا (الأحمر) مع الموجات الكهرومغناطيسية الغائبة عن الصدمة السريعة (الأسود). وبما أن الإلكترونات عالية الطاقة فقط هي التي تنتج انبعاث راديوي مرئي، فإن هذا يوضح أهمية فهم فيزياء عملية التسارع. مصدر الصورة: شلبي/AIP

التشبيه الجيد لهذا السلوك هو أن جزيئات الماء الفردية تنكسر بشكل جماعي على الشاطئ لتشكل موجة. “هذا التقدم يدعو إلى التشكيك في استخدام النظريات الهيدروديناميكية الفعالة عند دراسة عمليات البلازما فقط مع الأخذ في الاعتبار المقاييس الصغيرة التي لم يتم ملاحظتها سابقًا”، يوضح الدكتور محمد شلبي.

الآثار والتطبيقات

إن عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا له العديد من التطبيقات، بما في ذلك التفسير الأول لكيفية تسريع الإلكترونات من البلازما البينجمية الساخنة إلى طاقات عالية في بقايا المستعرات الأعظم.

يقول محمد شلبي: “يمثل عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا تقدمًا كبيرًا في فهمنا لعملية التسارع ويفسر أخيرًا سبب توهج بقايا المستعرات الأعظم في أشعة الراديو وأشعة جاما”.

علاوة على ذلك، فإن هذا الاكتشاف المثير يفتح الباب أمام فهم أعمق للعمليات الأساسية لنقل الأشعة الكونية في المجرات، مما يمثل لغزا كبيرا في فهمنا للعمليات التي تشكل المجرات خلال تطورها الكوني.

ملحوظات:

“فهم الأساس المادي لعدم الاستقرار المتوسط ​​النطاق”، بقلم محمد شلبي، وتيمون توماس، وكريستوف بفرومر، وروفين ليميرز، وفيرجينيا بريسكي، 12 ديسمبر/كانون الأول 2023. مجلة فيزياء البلازما.
دوى: 10.1017/S0022377823001289

محمد شلبي، روفين ليمرز، تيمون توماس، كريستوف بفرومر، 4 مايو 2022، “آلية تسريع الإلكترون الفعال في الصدمات المستقلة المتوازية” الفيزياء الفلكية > الظواهر الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة.
أرخايف:2202.05288

“عدم استقرار جديد يحركه الأشعة الكونية” بقلم محمد شلبي وتيمون توماس وكريستوف بفرومر، 24 فبراير 2021، ال مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/abd02d