Cómo la inestabilidad del plasma cambia nuestra visión del universo

Científicos del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) han descubierto un nuevo objeto plasma Esta inestabilidad revolucionará nuestra comprensión del origen de los rayos cósmicos y su influencia dinámica en las galaxias.

A principios del siglo pasado, Victor Hess descubrió un nuevo fenómeno llamado rayos cósmicos, que luego le valió el Premio Nobel. Realizó vuelos en globo a gran altitud y descubrió que la atmósfera de la Tierra no estaba ionizada debido a la radiactividad de la Tierra. En cambio, confirmó que el origen de la ionización era extraterrestre. Más tarde, se determinó que los «rayos» cósmicos consisten en partículas cargadas del espacio exterior que viajan a una velocidad cercana a la de la luz en lugar de… radiación. Sin embargo, el nombre «rayos cósmicos» se quedó después de estos resultados.

Avances recientes en la investigación de los rayos cósmicos

En el nuevo estudio, el Dr. Mohamed Shalabi, científico del Instituto AIP y autor principal de este estudio, y sus colaboradores realizaron simulaciones numéricas para rastrear las trayectorias de varias partículas de rayos cósmicos y estudiar cómo interactúan con el plasma circundante compuesto de electrones y protones.

Simulación de rayos cósmicos que fluyen en contracorriente sobre un fondo de plasma y provocan inestabilidad del plasma. Aquí se muestra la distribución de las partículas de fondo que responden a los rayos cósmicos que fluyen en el espacio de fase, que abarca la posición de las partículas (eje horizontal) y la velocidad (eje vertical). La percepción del color de las densidades numéricas y las aperturas del espacio de fase son manifestaciones de la naturaleza altamente dinámica de la inestabilidad que se disipa en movimientos aleatorios. Fuente de la imagen: Shalabi/AIP

Cuando los investigadores estudiaron los rayos cósmicos que viajan de un lado a otro de la simulación, descubrieron un nuevo fenómeno que excita ondas electromagnéticas en el plasma de fondo. Estas ondas ejercen una fuerza sobre los rayos cósmicos, cambiando sus trayectorias sinuosas.

Comprender los rayos cósmicos como fenómenos colectivos

Lo más importante es que este nuevo fenómeno se puede entender mejor si consideramos que los rayos cósmicos no actúan como partículas individuales, sino que sustentan una onda electromagnética colectiva. Cuando esta onda interactúa con las ondas de fondo fundamentales, se amplifica fuertemente y se produce la transferencia de energía.

«Esta visión nos permite considerar que los rayos cósmicos se comportan como radiación y no como partículas individuales en este contexto, tal como pensaba originalmente Viktor Hess», dice el profesor Christoph Pfromer, jefe del Departamento de Cosmología y Astrofísica de Altas Energías del AIP. .

Distribución de momento de protones (líneas discontinuas) y electrones (líneas continuas). Aquí se muestra la apariencia de una cola de electrones de alta energía en un choque de movimiento más lento. Esto es el resultado de interacciones con ondas electromagnéticas generadas por las inestabilidades del plasma recién descubiertas (rojo), que están ausentes en el caso del choque más rápido (negro). Dado que sólo los electrones de alta energía producen emisiones de radio observables, esto resalta la importancia de comprender la física del proceso de aceleración. Fuente de la imagen: Shalabi/AIP

Una buena analogía para este comportamiento es que las moléculas de agua individuales forman colectivamente una ola que rompe en la orilla. «Este progreso sólo se ha logrado teniendo en cuenta escalas más pequeñas que hasta ahora se habían pasado por alto y que ponen en duda el uso de teorías hidrodinámicas eficaces en el estudio de los procesos del plasma», explica el Dr. Mohamed Shalabi.

Efectos y aplicaciones

Hay muchas aplicaciones para las inestabilidades del plasma recientemente descubiertas, incluida la primera explicación de cómo los electrones del plasma térmico interestelar se aceleran a altas energías en los restos de supernova.

«La inestabilidad del plasma recientemente descubierta representa un gran avance en nuestra comprensión del proceso de aceleración y finalmente explica por qué los restos de supernova brillan en rayos de radio y gamma», afirma Mohamed Shalabi.

Además, este descubrimiento pionero abre la puerta a una comprensión más profunda de los procesos fundamentales de transmisión de rayos cósmicos en las galaxias, lo que representa el mayor misterio en nuestra comprensión de los procesos que dan forma a las galaxias durante su evolución cósmica.

Referencias:

“Descifrando la base física de la inestabilidad de mesoescala” por Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers y Virginia Breschi, 12 de diciembre de 2023, Revista de física del plasma.
doi: 10.1017/S0022377823001289

“Mecanismo eficaz de aceleración de electrones en choques paralelos no relativistas” por Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 de mayo de 2022, Astrofísica > Fenómenos astrofísicos de alta energía.
arXiv:2202.05288

“Una nueva inestabilidad causada por los rayos cósmicos” por Mohamed Shalabi, Timon Thomas y Christoph Pfromer, 24 de febrero de 2021, el Diario astrofísico.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d