Científicos del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) han descubierto un nuevo plasma inestabilidad que promete revolucionar nuestra comprensión del origen de los rayos cósmicos y su impacto dinámico en las galaxias.

A principios del siglo pasado, Victor Hess descubrió un nuevo fenómeno llamado rayos cósmicos que luego le valió el Premio Nobel. Realizó vuelos en globo a gran altitud para descubrir que la atmósfera de la Tierra no está ionizada por la radiactividad del suelo. En cambio, confirmó que el origen de la ionización era extraterrestre. Más tarde se determinó que los “rayos” cósmicos consisten en partículas cargadas del espacio exterior que vuelan a una velocidad cercana a la de la luz, en lugar de radiación. Sin embargo, el nombre “rayos cósmicos” sobrevivió a estos descubrimientos.

Avances recientes en la investigación de los rayos cósmicos

En el nuevo estudio, el Dr. protones.

Simulación de rayos cósmicos que contrafluyen contra un plasma de fondo y provocan una inestabilidad plasmática. Se muestra la distribución de las partículas de fondo que responden al flujo de rayos cósmicos en el espacio de fase, que se mide por la posición de las partículas (eje horizontal) y la velocidad (eje vertical). Los colores visualizan la densidad numérica y los agujeros en el espacio de fases son manifestaciones de la naturaleza altamente dinámica de la inestabilidad que se disipa en movimientos aleatorios ordenados. Crédito: Shalaby/AIP

Cuando los investigadores estudiaron los rayos cósmicos que volaban de un lado a otro de la simulación, descubrieron un nuevo fenómeno que excita ondas electromagnéticas en el plasma de fondo. Estas ondas ejercen una fuerza sobre los rayos cósmicos, que cambia sus trayectorias sinuosas.

Comprender los rayos cósmicos como fenómenos colectivos

Lo más importante es que este nuevo fenómeno se puede entender mejor si consideramos que los rayos cósmicos no actúan como partículas individuales, sino como portadores de una onda electromagnética colectiva. A medida que esta onda interactúa con las ondas fundamentales de fondo, se amplifican fuertemente y se produce una transferencia de energía.

“Esta idea nos permite considerar que los rayos cósmicos se comportan en este contexto como radiación y no como partículas individuales, como creía originalmente Victor Hess”, comenta el profesor Christoph Pfrommer, jefe de la sección de Cosmología y Astrofísica de Altas Energías de la AIP. .

Distribución de momentos de protones (líneas discontinuas) y electrones (líneas continuas). Se muestra la apariencia de la cola de electrones de alta energía en un choque de movimiento más lento. Esto es el resultado de las interacciones con las ondas electromagnéticas ejercidas por la inestabilidad del plasma recién descubierta (rojo), que están ausentes en un choque más rápido (negro). Dado que sólo los electrones de alta energía producen emisiones de radio observables, esto demuestra la importancia de comprender la física del proceso de aceleración. Crédito: Shalaby/AIP

Una buena analogía para este comportamiento es que las moléculas de agua individuales forman colectivamente una ola que rompe en la orilla. “Este avance sólo se produjo considerando escalas más pequeñas que antes eran descuidadas y que cuestionan el uso de teorías hidrodinámicas efectivas en el estudio de los procesos plasmáticos”, explica el Dr.

Implicaciones y aplicaciones

Hay muchas aplicaciones de esta inestabilidad del plasma recientemente descubierta, incluida una primera explicación de cómo los electrones en el plasma interestelar térmico pueden acelerarse a altas energías en los restos de supernova.

«Esta inestabilidad del plasma recientemente descubierta representa un importante avance en nuestra comprensión del proceso de aceleración y finalmente explica por qué estos restos de supernova brillan en radio y rayos gamma», informa Mohamad Shalaby.

Además, este descubrimiento innovador abre la puerta a una comprensión más profunda de los procesos fundamentales del transporte de rayos cósmicos en las galaxias, lo que representa el mayor misterio en nuestra comprensión de los procesos que dan forma a las galaxias durante su evolución cósmica.

Referencias:

“Descifrando la base física de la inestabilidad a escala intermedia” por Mohamad Shalaby, Timon Thomas, Christoph Pfrommer, Rouven Lemmerz y Virginia Bresci, 12 de diciembre de 2023, Revista de física del plasma.
DOI: 10.1017/S0022377823001289

“El mecanismo eficiente de aceleración de electrones en choques paralelos no relativistas” por Mohamad Shalaby, Rouven Lemmerz, Timon Thomas, Christoph Pfrommer, 4 de mayo de 2022, Astrofísica > Fenómenos Astrofísicos de Altas Energías.
arXiv:2202.05288

“Una nueva inestabilidad impulsada por los rayos cósmicos” por Mohamad Shalaby, Timon Thomas y Christoph Pfrommer, 24 de febrero de 2021, oh Diario astrofísico.
DOI: 10.3847/1538-4357/abd02d