Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) haben eine neue Plasmainstabilität entdeckt, die unser Verständnis des Ursprungs der kosmischen Strahlung und ihrer dynamischen Wirkung auf Galaxien zu revolutionieren verspricht.
Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckte Victor Hess ein neues Phänomen namens kosmische Strahlung, das ihm später den Nobelpreis einbrachte. Er führte Ballonflüge in großer Höhe durch und stellte fest, dass die Erdatmosphäre nicht durch die Radioaktivität des Bodens ionisiert wird. Stattdessen bestätigte er, dass der Ursprung der Ionisierung außerirdisch sei. Anschließend wurde festgestellt, dass kosmische „Strahlen“ aus geladenen Teilchen aus dem Weltraum bestehen, die nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, und nicht aus Strahlung. Allerdings überdauerte der Name „kosmische Strahlung“ diese Erkenntnisse.
Im neue StudieDr. Mohamad Shalaby, Wissenschaftler am AIP und Hauptautor dieser Studie, und seine Mitarbeiter haben numerische Simulationen durchgeführt, um die Flugbahnen vieler Teilchen der kosmischen Strahlung zu verfolgen und zu untersuchen, wie diese mit dem umgebenden Plasma, bestehend aus Elektronen und Protonen, interagieren. Das Papier erscheint auf dem Pre-Print-Server arXiv.
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 anregt. Diese Wellen üben eine Kraft auf die kosmische Strahlung aus, die ihre gewundenen Bahnen verändert.
Am wichtigsten ist, dass dieses neue Phänomen am besten verstanden werden kann, wenn wir davon ausgehen, dass die kosmische Strahlung nicht als einzelne Teilchen wirkt, sondern eine kollektive elektromagnetische Welle unterstützt. Da diese Welle mit den Grundwellen im Hintergrund interagiert, werden diese stark verstärkt und es findet eine Energieübertragung statt.
„Diese Erkenntnis ermöglicht es uns, kosmische Strahlung als ein Verhalten wie Strahlung und nicht als einzelne Teilchen in diesem Zusammenhang zu betrachten, so wie es ursprünglich von Victor Hess angenommen wurde“, bemerkt Professor Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP . Eine gute Analogie für dieses Verhalten ist, dass einzelne Wassermoleküle gemeinsam eine Welle bilden, die am Ufer bricht.
„Dieser Fortschritt kam nur durch die Berücksichtigung kleinerer Skalen zustande, die bisher übersehen wurden und die den Einsatz effektiver hydrodynamischer Theorien bei der Untersuchung von Plasmaprozessen in Frage stellen“, erklärt Dr. Mohamad Shalaby.
Es gibt viele Anwendungen dieser neu entdeckten Plasmainstabilität, darunter eine erste Erklärung, wie Elektronen aus dem thermischen interstellaren Plasma an Supernova-Überresten auf hohe Energien beschleunigt werden können.
„Diese neu entdeckte Plasmainstabilität stellt einen bedeutenden Sprung in unserem Verständnis des Beschleunigungsprozesses dar und erklärt schließlich, warum diese Supernova-Überreste in der Radio- und Gammastrahlung leuchten“, berichtet Mohamad Shalaby. Darüber hinaus öffnet diese bahnbrechende Entdeckung die Tür zu einem tieferen Verständnis der grundlegenden Prozesse des Transports kosmischer Strahlung in Galaxien, was das größte Rätsel in unserem Verständnis der Prozesse darstellt, die Galaxien während ihrer kosmischen Entwicklung formen.
Mehr Informationen:
Mohamad Shalaby et al., Entschlüsselung der physikalischen Basis der Instabilität im mittleren Maßstab, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2305.18050