Wissenschaftler haben eine neue Plasmainstabilität entdeckt, die unser Verständnis der kosmischen Strahlung revolutioniert. Der Durchbruch ergab, dass kosmische Strahlung in Plasmen elektromagnetische Wellen erzeugt und deren Flugbahn beeinflusst. Dieses kollektive Verhalten der kosmischen Strahlung, ähnlich den von Wassermolekülen gebildeten Wellen, stellt frühere Theorien in Frage und verspricht Einblicke in den Transport kosmischer Strahlung durch Galaxien und ihre Rolle bei ihrer Entwicklung.

Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) haben eine neue Plasmainstabilität entdeckt, die unser Verständnis des Ursprungs der kosmischen Strahlung und ihrer Auswirkungen auf die Galaxiendynamik zu revolutionieren verspricht.

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckte Victor Hess ein neues Phänomen namens kosmische Strahlung und erhielt dafür den Nobelpreis. Er führte Ballonflüge in großer Höhe durch und entdeckte, dass die Erdatmosphäre nicht durch Radioaktivität vom Boden ionisiert wurde. Stattdessen bestätigte er, dass der Ursprung der Ionisierung außerirdisch ist. Anschließend wurde festgestellt, dass kosmische „Strahlen“ aus geladenen Teilchen aus dem Weltraum bestehen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, und nicht aus Strahlung. Der Name „kosmische Strahlung“ wurde jedoch erst nach diesen Entdeckungen verwendet.

In der neuen Studie führten Dr. Mohamad Shalaby, Wissenschaftler am AIP und Hauptautor der Studie, und seine Mitarbeiter numerische Simulationen durch, um die Flugbahnen vieler Teilchen der kosmischen Strahlung zu verfolgen und zu untersuchen, wie diese Teilchen mit dem umgebenden Plasma aus Elektronen und Protonen interagieren.

Simulieren Sie Gegenströme kosmischer Strahlung, die auf Hintergrundplasma treffen und Plasmainstabilitäten stimulieren. Dargestellt ist die Verteilung der Hintergrundteilchen, die auf einen kosmischen Strahlenstrom im Phasenraum reagieren, der die Teilchenposition (horizontale Achse) und die Geschwindigkeit (vertikale Achse) umfasst. Die Farben zeigen visuell die Anzahldichte der Teilchen, während die Phasenraumlücken die hochdynamische Natur der Instabilität verkörpern, die geordnete Bewegung in zufällige Bewegung auflöst. Quelle: Shalaby/AIP

Als die Forscher kosmische Strahlung untersuchten, die von einer Seite der Simulation zur anderen flog, entdeckten sie ein neues Phänomen, das elektromagnetische Wellen im Hintergrundplasma anregte. Diese Wellen üben eine Kraft auf die kosmische Strahlung aus und verändern deren verschlungene Bahnen.

Kosmische Strahlung als kollektives Phänomen verstehen

Am wichtigsten ist, dass dieses neue Phänomen am besten verstanden werden kann, wenn wir uns die kosmische Strahlung nicht als einzelne Teilchen vorstellen, sondern als Träger einer kollektiven elektromagnetischen Welle. Wenn diese elektromagnetische Welle mit Grundwellen im Hintergrund interagiert, werden diese Grundwellen stark verstärkt und es kommt zu einer Energieübertragung.

Professor Christoph Pfrommer, Direktor der Abteilung für Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik des AIP, sagte: „Diese Erkenntnis ermöglicht es uns, kosmische Strahlung als Strahlung und nicht als einzelne Teilchen zu behandeln.“

Impulsverteilung von Protonen (gestrichelte Linien) und Elektronen (durchgezogene Linien). Hier ist der hochenergetische Schweif von Elektronen in einer sich langsamer bewegenden Stoßwelle zu sehen. Dies ist das Ergebnis der Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen, die durch neu entdeckte Plasmainstabilitäten (rot) erzeugt werden und in den schnelleren Stoßwellen (schwarz) fehlen. Da nur hochenergetische Elektronen beobachtbare Radioemissionen erzeugen, zeigt dies, wie wichtig es ist, die Physik des Beschleunigungsprozesses zu verstehen. Quelle: Shalaby/AIP

„Eine gute Metapher für dieses Verhalten ist die Welle, die aus einzelnen Wassermolekülen entsteht, die auf die Küste zuströmen“, erklärt Dr. Mohamad Shalaby. „Dieser Fortschritt war nur möglich, indem kleinere Maßstäbe berücksichtigt wurden, die bisher übersehen wurden, und die Verwendung einer effektiven hydrodynamischen Theorie bei der Untersuchung von Plasmaprozessen in Frage gestellt wurde.“

Wirkung und Anwendung

Diese neu entdeckte Plasmainstabilität hat viele Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem erklärt sie erstmals, wie Elektronen in heißen interstellaren Plasmen in Supernova-Überresten auf hohe Energien beschleunigt werden.

Mohamad Shalaby berichtet: „Diese neu entdeckte Plasmainstabilität ist ein großer Fortschritt in unserem Verständnis von Beschleunigungsprozessen und erklärt letztendlich, warum diese Supernova-Überreste in Radio- und Gammastrahlen funkeln.“

Darüber hinaus öffnet diese bahnbrechende Entdeckung die Tür zu einem tieferen Verständnis des grundlegenden Prozesses der Übertragung kosmischer Strahlung in Galaxien, der das größte Rätsel in unserem Verständnis der Entstehung von Galaxien während der Entwicklung des Universums darstellt.

Referenzen

„Entschlüsselung der physikalischen Basis von Instabilitäten mittlerer Skala“, von Mohamad Shalaby, Timon Thomas, Christoph Pfrommer, Rouven Lemmerz und Virginia Bresci, 12. Dezember 2023, Journal of Plasma Physics.

doi:10.1017/s0022377823001289

„Mechanism of Efficient Acceleration of Electrons under Parallel Non-Relativistic Impacts“, gemeinsam verfasst von Mohamad Shalaby, Rouven Lemmerz, Timon Thomas und Christoph Pfrommer, 4. Mai 2022, „Astrophysics“ > „High Energy Astrophysical Phenomena“.

arXiv:2202.05288

„Neue durch kosmische Strahlung verursachte Instabilitäten“ von Mohamad Shalaby, Timon Thomas und Christoph Pfrommer, 24. Februar 2021, „The Astrophysical Journal“.

DOI:10.3847/1538-4357/abd02d

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily