Come l’instabilità del plasma cambia la nostra visione dell’universo

Gli scienziati dell’Istituto Leibniz di Astrofisica Potsdam (AIP) hanno scoperto un nuovo oggetto plasma Questa instabilità è destinata a rivoluzionare la nostra comprensione dell’origine dei raggi cosmici e della loro influenza dinamica sulle galassie.

All’inizio del secolo scorso, Victor Hess scoprì un nuovo fenomeno chiamato raggi cosmici, che in seguito gli valse il premio Nobel. Ha effettuato voli in mongolfiera ad alta quota per scoprire che l’atmosfera terrestre non era ionizzata a causa della radioattività terrestre. Confermò invece che l’origine della ionizzazione era extraterrestre. Successivamente, è stato stabilito che i “raggi” cosmici sono costituiti da particelle cariche provenienti dallo spazio esterno che viaggiano a una velocità prossima a quella della luce anziché… radiazione. Tuttavia, il nome “raggi cosmici” rimase dopo questi risultati.

Recenti sviluppi nella ricerca sui raggi cosmici

Nel nuovo studio, il dottor Mohamed Shalabi, scienziato dell’AIP Institute e autore principale di questo studio, e i suoi collaboratori hanno eseguito simulazioni numeriche per tracciare i percorsi di diverse particelle di raggi cosmici e studiare come interagiscono con il plasma circostante costituito da elettroni e protoni.

Simulazione dei raggi cosmici che fluiscono in controtendenza su uno sfondo di plasma e innescano l’instabilità del plasma. Qui è mostrata la distribuzione delle particelle di fondo che rispondono ai raggi cosmici che fluiscono nello spazio delle fasi, che abbraccia la posizione delle particelle (asse orizzontale) e la velocità (asse verticale). La percezione cromatica delle densità numeriche e delle aperture dello spazio delle fasi sono manifestazioni della natura altamente dinamica dell’instabilità che si dissipa in movimenti casuali. Fonte immagine: Shalabi/AIP

Quando i ricercatori hanno studiato i raggi cosmici che viaggiano da un lato all’altro della simulazione, hanno scoperto un nuovo fenomeno che eccita le onde elettromagnetiche nel plasma di fondo. Queste onde esercitano una forza sui raggi cosmici, cambiando i loro percorsi tortuosi.

Comprendere i raggi cosmici come fenomeni collettivi

Ancora più importante, questo nuovo fenomeno può essere compreso meglio se consideriamo che i raggi cosmici non agiscono come particelle individuali, ma sostengono piuttosto un’onda elettromagnetica collettiva. Quando quest’onda interagisce con le onde fondamentali di fondo, viene fortemente amplificata e avviene il trasferimento di energia.

“Questa visione ci consente di considerare i raggi cosmici come una radiazione e non come singole particelle in questo contesto, proprio come pensava inizialmente Viktor Hess”, afferma il professor Christoph Pfromer, capo del Dipartimento di cosmologia e astrofisica delle alte energie presso l’AIP. .

Distribuzione della quantità di moto di protoni (linee tratteggiate) ed elettroni (linee continue). Qui è mostrato l’aspetto di una coda di elettroni ad alta energia durante uno shock che si muove più lentamente. Questo è il risultato delle interazioni con le onde elettromagnetiche generate dalle instabilità del plasma appena scoperte (rosso), che sono assenti nel caso dello shock più veloce (nero). Poiché solo gli elettroni ad alta energia producono emissioni radio osservabili, ciò evidenzia l’importanza di comprendere la fisica del processo di accelerazione. Fonte immagine: Shalabi/AIP

Una buona analogia per questo comportamento è che le singole molecole d’acqua formano collettivamente un’onda che si infrange sulla riva. “Questo progresso è stato ottenuto solo considerando scale più piccole precedentemente trascurate che mettono in discussione l’uso di teorie idrodinamiche efficaci nello studio dei processi del plasma”, spiega il dottor Mohamed Shalabi.

Effetti e applicazioni

Ci sono molte applicazioni per le instabilità del plasma appena scoperte, inclusa la prima spiegazione di come gli elettroni del plasma termico interstellare vengono accelerati ad alte energie nei resti di supernova.

“L’instabilità del plasma appena scoperta rappresenta un grande passo avanti nella nostra comprensione del processo di accelerazione e spiega finalmente perché i resti di supernova brillano nei raggi radio e gamma”, afferma Mohamed Shalabi.

Inoltre, questa scoperta pionieristica apre le porte a una comprensione più profonda dei processi fondamentali di trasmissione dei raggi cosmici nelle galassie, che rappresenta il più grande mistero nella nostra comprensione dei processi che modellano le galassie durante la loro evoluzione cosmica.

Riferimenti:

“Decifrare le basi fisiche dell’instabilità della mesoscala” di Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers e Virginia Breschi, 12 dicembre 2023, Giornale di fisica del plasma.
doi: 10.1017/S0022377823001289

“Meccanismo efficace di accelerazione degli elettroni in caso di shock paralleli non relativistici” di Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 maggio 2022, Astrofisica > Fenomeni astrofisici delle alte energie.
arXiv:2202.05288

“Una nuova instabilità causata dai raggi cosmici” di Mohamed Shalabi, Timon Thomas e Christoph Pfromer, 24 febbraio 2021, IL Giornale astrofisico.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d