Como a instabilidade do plasma muda nossa visão do universo

Cientistas do Instituto Leibniz de Astrofísica Potsdam (AIP) descobriram um novo objeto plasma Esta instabilidade irá revolucionar a nossa compreensão da origem dos raios cósmicos e da sua influência dinâmica nas galáxias.

No início do século passado, Victor Hess descobriu um novo fenômeno chamado raios cósmicos, que mais tarde lhe rendeu o Prêmio Nobel. Ele realizou voos de balão em grandes altitudes para descobrir que a atmosfera da Terra não estava ionizada devido à radioatividade da Terra. Em vez disso, ele confirmou que a origem da ionização era extraterrestre. Mais tarde, foi determinado que os “raios” cósmicos consistem em partículas carregadas do espaço exterior viajando a uma velocidade próxima da velocidade da luz, em vez de… radiação. No entanto, o nome “raios cósmicos” ficou após esses resultados.

Desenvolvimentos recentes na pesquisa de raios cósmicos

No novo estudo, o Dr. Mohamed Shalabi, cientista do Instituto AIP e principal autor deste estudo, e seus colaboradores realizaram simulações numéricas para rastrear os caminhos de várias partículas de raios cósmicos e estudar como elas interagem com o plasma circundante composto de elétrons e prótons.

Simulação de raios cósmicos contrafluindo em um fundo de plasma e desencadeando instabilidade do plasma. Aqui é mostrada a distribuição das partículas de fundo que respondem aos raios cósmicos que fluem no espaço de fase, que abrange a posição das partículas (eixo horizontal) e a velocidade (eixo vertical). A percepção de cores de densidades numéricas e aberturas de espaço de fase são manifestações da natureza altamente dinâmica da instabilidade que se dissipa em movimentos aleatórios. Fonte da imagem: Shalabi/AIP

Quando os pesquisadores estudaram os raios cósmicos viajando de um lado a outro da simulação, eles descobriram um novo fenômeno que excita ondas eletromagnéticas no plasma de fundo. Essas ondas exercem uma força sobre os raios cósmicos, mudando seus caminhos sinuosos.

Compreendendo os raios cósmicos como fenômenos coletivos

Mais importante ainda, este novo fenómeno pode ser melhor compreendido se considerarmos que os raios cósmicos não actuam como partículas individuais, mas sim suportam uma onda electromagnética colectiva. Quando esta onda interage com ondas de fundo fundamentais, ela é fortemente amplificada e ocorre transferência de energia.

“Esta visão permite-nos considerar os raios cósmicos como se comportando como radiação e não como partículas individuais neste contexto, tal como Viktor Hess pensava originalmente,” diz o Professor Christoph Pfromer, Chefe do Departamento de Cosmologia e Astrofísica de Altas Energias da AIP. .

Distribuição de momento de prótons (linhas tracejadas) e elétrons (linhas sólidas). Aqui é mostrado o aparecimento de uma cauda de elétrons de alta energia em um choque mais lento. Isto é resultado de interações com ondas eletromagnéticas geradas pelas instabilidades plasmáticas recentemente descobertas (vermelho), que estão ausentes no caso do choque mais rápido (preto). Como apenas os elétrons de alta energia produzem emissões de rádio observáveis, isso destaca a importância de compreender a física do processo de aceleração. Fonte da imagem: Shalabi/AIP

Uma boa analogia para este comportamento é que as moléculas individuais de água formam coletivamente uma onda que quebra na costa. “Este progresso só foi alcançado considerando escalas menores anteriormente negligenciadas que colocam em questão o uso de teorias hidrodinâmicas eficazes no estudo de processos de plasma”, explica o Dr.

Efeitos e aplicações

Existem muitas aplicações para as instabilidades do plasma recentemente descobertas, incluindo a primeira explicação de como os electrões do plasma térmico interestelar são acelerados para altas energias em remanescentes de supernovas.

“A recém-descoberta instabilidade do plasma representa um grande salto na nossa compreensão do processo de aceleração e finalmente explica porque é que os remanescentes de supernovas brilham no rádio e nos raios gama”, diz Mohamed Shalabi.

Além disso, esta descoberta pioneira abre a porta para uma compreensão mais profunda dos processos fundamentais de transmissão de raios cósmicos nas galáxias, o que representa o maior mistério na nossa compreensão dos processos que moldam as galáxias durante a sua evolução cósmica.

Referências:

“Decifrando a base física da instabilidade de mesoescala” por Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers e Virginia Breschi, 12 de dezembro de 2023, Jornal de Física do Plasma.
doi: 10.1017/S0022377823001289

“Mecanismo eficaz de aceleração de elétrons em choques paralelos não relativísticos” por Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 de maio de 2022, Astrofísica > Fenômenos astrofísicos de alta energia.
arXiv:2202.05288

“Uma nova instabilidade causada por raios cósmicos” por Mohamed Shalabi, Timon Thomas e Christoph Pfromer, 24 de fevereiro de 2021, o Jornal Astrofísico.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d