Plazma i jej niestabilność pomoże zrozumieć naturę promieniowania kosmicznego

Naukowcy z Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) odkryli nową niestabilność jaką charakteryzuje się plazma, która może zrewolucjonizować zrozumienie pochodzenia promieniowania kosmicznego i jego wpływu na galaktyki.

Plazma i jej niestabilność

.Na początku ubiegłego wieku Victor Hess odkrył nowe zjawisko zwane promieniowaniem kosmicznym, które później przyniosło mu Nagrodę Nobla. Przeprowadził loty balonem na dużych wysokościach, aby odkryć, że atmosfera ziemska nie jest jonizowana przez radioaktywność Ziemi. Zamiast tego potwierdził, że źródło jonizacji było pozaziemskie. Następnie ustalono, że „promieniowanie” to składa się z naładowanych cząstek z lecących z kosmosu z prędkością bliską prędkości światła, a nie samego promieniowania. Jednak nazwa „promieniowanie kosmiczne” przetrwała te odkrycia.

W nowym badaniu dr Mohamad Shalaby, naukowiec z AIP, wraz z zespołem przeprowadzili symulacje numeryczne, aby śledzić trajektorie cząstek promieniowania kosmicznego i zbadać, w jaki sposób oddziałują one z plazmą składającą się z elektronów i protonów. Badanie ukazało się w serwisie arXiv.

Naukowcy badając promieniowanie kosmiczne przelatujące z jednej strony symulacji na drugą, odkryli nowe zjawisko, które indukuje fale elektromagnetyczne w plazmie. Fale te wywierają siłę na promieniowanie kosmiczne, a właściwie na cząstki, z którego się składa, co zmienia ich ścieżki lotu.

Nowe zjawisko

.To nowe zjawisko można najlepiej zrozumieć, biorąc pod uwagę, że promieniowanie kosmiczne nie działa jako pojedyncze cząstki, ale zamiast tego przybiera formę zbiorowej fali elektromagnetycznej. Kiedy wchodzi ona w interakcję z falami fundamentalnymi w tle, są one silnie wzmacniane i następuje transfer energii.

„Ten wgląd pozwala nam myśleć o promieniowaniu kosmicznym jak o promieniowaniu, a nie pojedynczych cząstkach, jak pierwotnie sądził Victor Hess. Dobrą analogią dla tego zachowania są pojedyncze cząsteczki wody wspólnie tworzące falę, która rozbija się o brzeg” – zauważa profesor Christoph Pfrommer, szef sekcji kosmologii i astrofizyki wysokich energii w AIP.

„Postęp ten został osiągnięty tylko dzięki uwzględnieniu mniejszych skal, które wcześniej były pomijane i które stanowią wyzwanie dla wykorzystania efektywnych teorii hydrodynamicznych podczas badania procesów plazmowych” – wyjaśnia dr Mohamad Shalaby.

Istnieje wiele zastosowań tej nowo odkrytej niestabilności jaką charakteryzuje się plazma, w tym pierwsze wyjaśnienie, w jaki sposób elektrony z termicznej plazmy międzygwiazdowej mogą być przyspieszane do wysokich energii w pozostałościach po supernowych. „Ta nowo odkryta niestabilność plazmy stanowi znaczący skok w naszym rozumieniu procesu przyspieszania i ostatecznie wyjaśnia, dlaczego pozostałości po supernowych świecą w promieniach radiowych i gamma” – tłumaczy Mohamad Shalaby.

To przełomowe odkrycie otwiera drzwi do głębszego zrozumienia podstawowych procesów transportu promieniowania kosmicznego w galaktykach, co jest największą tajemnicą w rozumieniu procesów, które kształtują galaktyki podczas ich kosmicznej ewolucji.

Teleskop Webba

.Zastępca dyrektora ds. rozwoju technologii i profesor w Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk, Piotr ORLEAŃSKI, na łamach „Wszystko co Najważniejsze” twierdzi, że: „Udało się ustawić wszystkie 18 luster Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Stanowią one razem zwierciadło o rozpiętości 6,5 metra. Każde z luster musi być oddzielnie wyjustowane, by móc dobrze zobrazować dane, które pozyskuje. W lipcu 2022 roku zobaczyliśmy pierwsze zachwycające zdjęcia różnego rodzaju obiektów kosmicznych. NASA opublikowało specjalną animację, na której można porównać zdjęcia tych samych obiektów pozyskane za pomocą teleskopu Hubble’a i Webba. Dopiero gdy się porównuje zdjęcia, widać, jaka jest różnica między tymi teleskopami”.

„Teleskopy Hubble’a i Webba różnią się dwoma rzeczami. Nowszy z nich jest większy, w związku z tym jest w stanie obserwować mniejsze obiekty, głównie te, które znajdują się dalej od nas. Widziane przez nas w ten sposób kosmiczne zdarzenia zachodziły w przeszłości – światło potrzebowało milionów lat, by do nas dotrzeć i byśmy mogli te zdarzenia teraz zaobserwować. Można powiedzieć, że widzimy to, co działo się np. 13,5 miliarda lat temu. W przypadku teleskopu Hubble’a było to 12 miliardów lat. Ale nawet obiekty wcześniej zaobserwowane przez teleskop Hubble’a widzimy dziś dzięki teleskopowi Webba znacznie bardziej szczegółowo. Tym, co różni te teleskopy, jest również to, że instrumenty teleskopu Hubble’a pracują w zakresie widzialnym, natomiast Webba w podczerwieni. To jest zupełnie inne spektrum fali elektromagnetycznej. Również dzięki temu można więcej zobaczyć. Jednak tym, co znacznie różni te twa teleskopy, jest ich wielkość – starszy ma dwa metry średnicy, nowszy ponad sześć” – pisze prof. Piotr ORLEAŃSKI w tekście „Kosmos coraz bliżej, także z Polakami„.

Oprac. EG