Bagaimana ketidakstabilan plasma mengubah pandangan kita tentang alam semesta

Para ilmuwan dari Institut Astrofisika Leibniz Potsdam (AIP) telah menemukan objek baru plasma Ketidakstabilan ini akan merevolusi pemahaman kita tentang asal usul sinar kosmik dan pengaruh dinamisnya terhadap galaksi.

Pada awal abad yang lalu, Victor Hess menemukan fenomena baru yang disebut sinar kosmik, yang kemudian membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel. Dia melakukan penerbangan balon di ketinggian untuk menemukan bahwa atmosfer bumi tidak terionisasi karena radioaktivitas bumi. Sebaliknya, ia menegaskan bahwa asal muasal ionisasi berasal dari luar bumi. Belakangan, diketahui bahwa “sinar” kosmik terdiri dari partikel bermuatan dari luar angkasa yang bergerak mendekati kecepatan cahaya, bukan… radiasi. Namun, nama “sinar kosmik” melekat setelah hasil ini.

Perkembangan terkini dalam penelitian sinar kosmik

Dalam studi baru ini, Dr. Mohamed Shalabi, seorang ilmuwan di AIP Institute dan penulis utama studi ini, dan kolaboratornya menjalankan simulasi numerik untuk melacak jalur beberapa partikel sinar kosmik dan mempelajari bagaimana mereka berinteraksi dengan plasma di sekitarnya yang terdiri dari elektron dan proton.

Simulasi sinar kosmik yang mengalir balik ke latar belakang plasma dan memicu ketidakstabilan plasma. Di sini ditampilkan distribusi partikel latar yang merespons sinar kosmik yang mengalir dalam ruang fase, yang mencakup posisi partikel (sumbu horizontal) dan kecepatan (sumbu vertikal). Persepsi warna terhadap kepadatan bilangan dan bukaan ruang fase adalah manifestasi dari sifat ketidakstabilan yang sangat dinamis yang menghilang dalam gerakan acak. Sumber gambar: Shalabi/AIP

Ketika para peneliti mempelajari sinar kosmik yang bergerak dari satu sisi simulasi ke sisi lain, mereka menemukan fenomena baru yang menggairahkan gelombang elektromagnetik di latar belakang plasma. Gelombang-gelombang ini memberikan gaya pada sinar kosmik, mengubah jalur berkelok-keloknya.

Memahami sinar kosmik sebagai fenomena kolektif

Yang terpenting, fenomena baru ini dapat dipahami dengan lebih baik jika kita menganggap bahwa sinar kosmik tidak bertindak sebagai partikel individual, melainkan mendukung gelombang elektromagnetik kolektif. Ketika gelombang ini berinteraksi dengan gelombang latar belakang fundamental, gelombang ini diperkuat dengan kuat dan terjadi transfer energi.

“Pandangan ini memungkinkan kita untuk menganggap sinar kosmik berperilaku seperti radiasi dan bukan sebagai partikel individu dalam konteks ini, seperti yang awalnya dipikirkan Viktor Hess,” kata Profesor Christoph Pfromer, Kepala Departemen Kosmologi dan Astrofisika Energi Tinggi di AIP. .

Distribusi momentum proton (garis putus-putus) dan elektron (garis padat). Yang ditunjukkan di sini adalah penampakan ekor elektron berenergi tinggi pada guncangan yang bergerak lebih lambat. Hal ini merupakan hasil interaksi dengan gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh ketidakstabilan plasma yang baru ditemukan (merah), yang tidak terjadi pada kasus guncangan yang lebih cepat (hitam). Karena hanya elektron berenergi tinggi yang menghasilkan emisi radio yang dapat diamati, hal ini menyoroti pentingnya memahami fisika proses percepatan. Sumber gambar: Shalabi/AIP

Analogi yang baik untuk perilaku ini adalah bahwa molekul-molekul air secara kolektif membentuk gelombang yang pecah di pantai. “Kemajuan ini hanya dapat dicapai dengan mempertimbangkan skala lebih kecil yang sebelumnya diabaikan sehingga mempertanyakan penggunaan teori hidrodinamik yang efektif ketika mempelajari proses plasma,” jelas Dr. Mohamed Shalabi.

Efek dan aplikasi

Ada banyak penerapan untuk ketidakstabilan plasma yang baru ditemukan, termasuk penjelasan pertama tentang bagaimana elektron dari plasma termal antarbintang dipercepat menjadi energi tinggi dalam sisa-sisa supernova.

“Ketidakstabilan plasma yang baru ditemukan ini mewakili lompatan besar dalam pemahaman kita tentang proses percepatan dan akhirnya menjelaskan mengapa sisa-sisa supernova bersinar di radio dan sinar gamma,” kata Mohamed Shalabi.

Terlebih lagi, penemuan perintis ini membuka pintu menuju pemahaman lebih dalam mengenai proses mendasar transmisi sinar kosmik di galaksi, yang mewakili misteri terbesar dalam pemahaman kita tentang proses yang membentuk galaksi selama evolusi kosmiknya.

Referensi:

“Menguraikan dasar fisik ketidakstabilan skala meso” oleh Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers, dan Virginia Breschi, 12 Desember 2023, Jurnal Fisika Plasma.
doi: 10.1017/S0022377823001289

“Mekanisme percepatan elektron efektif pada guncangan non-relativistik paralel” oleh Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 Mei 2022, Astrofisika > Fenomena astrofisika energi tinggi.
arXiv:2202.05288

“Ketidakstabilan baru yang disebabkan oleh sinar kosmik” oleh Mohamed Shalabi, Timon Thomas dan Christoph Pfromer, 24 Februari 2021, itu Jurnal Astrofisika.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d