كيف يغير عدم استقرار البلازما رؤيتنا للكون

اكتشف علماء من معهد لايبنيز للفيزياء الفلكية في بوتسدام (AIP) كائنًا جديدًا بلازما يعد عدم الاستقرار الذي سيحدث ثورة في فهمنا لأصل الأشعة الكونية وتأثيرها الديناميكي على المجرات.

وفي بداية القرن الماضي اكتشف فيكتور هيس ظاهرة جديدة تسمى الأشعة الكونية، مما أكسبه فيما بعد جائزة نوبل. قام برحلات منطاد على ارتفاعات عالية ليجد أن الغلاف الجوي للأرض لا يتأين بسبب النشاط الإشعاعي من الأرض. وبدلا من ذلك، أكدت أن أصل التأين كان خارج كوكب الأرض. وبعد ذلك، تم تحديد أن “الأشعة” الكونية تتكون من جسيمات مشحونة تنشأ من الفضاء وتطير بسرعة قريبة من سرعة الضوء وليس سرعة الضوء. إشعاع. ومع ذلك، فإن اسم “الأشعة الكونية” قد نجا من هذه الاكتشافات.

التطورات الحديثة في أبحاث الأشعة الكونية

وفي الدراسة الجديدة، أجرى الدكتور محمد شلبي، عالم AIP والمؤلف الرئيسي لهذه الدراسة، ومعاونوه عمليات محاكاة عددية لتتبع مسارات العديد من جسيمات الأشعة الكونية ودراسة كيفية تفاعلها مع البيئة المحيطة بالبلازما المكونة من الإلكترونات والبروتونات.

محاكاة للأشعة الكونية التي تعارض خلفية البلازما وتثير عدم استقرار البلازما. يظهر توزيع جسيمات الخلفية التي تستجيب لتدفق الأشعة الكونية في فضاء الطور، والذي يغطيه موضع الجسيم (المحور الأفقي) والسرعة (المحور الرأسي). تصور الألوان كثافة الأرقام والثقوب في مساحة الطور هي مظاهر للطبيعة الديناميكية للغاية لعدم الاستقرار التي تتبدد بطريقة منظمة إلى حركات عشوائية. مصدر الصورة: شلبي/AIP

وعندما درس الباحثون الأشعة الكونية المتطايرة من جانب المحاكاة إلى الجانب الآخر، اكتشفوا ظاهرة جديدة تثير الموجات الكهرومغناطيسية في بلازما الخلفية. تمارس هذه الموجات قوة على الأشعة الكونية، مما يعدل مساراتها المتعرجة.

فهم الأشعة الكونية كظواهر جماعية

والأهم من ذلك، أنه يمكن فهم هذه الظاهرة الجديدة بشكل أفضل إذا اعتبرنا أن الأشعة الكونية لا تعمل كجسيمات فردية، بل تدعم موجة كهرومغناطيسية جماعية. عندما تتفاعل هذه الموجة مع الموجات الأساسية في الخلفية، يتم تضخيمها بقوة ويحدث نقل للطاقة.

يقول البروفيسور كريستوف بفرومر، رئيس قسم علم الكونيات والفيزياء الفلكية عالية الطاقة في AIP: “تسمح لنا هذه الفكرة برؤية الأشعة الكونية على أنها تتصرف كإشعاع، وليس كجسيمات فردية في هذا السياق، تمامًا كما كان يعتقد فيكتور هيس في الأصل”. .

توزيع الزخم للبروتونات (الخطوط المتقطعة) والإلكترونات (الخطوط الصلبة). تُظهر الصورة ظهور ذيل الإلكترون عالي الطاقة أثناء صدمة أبطأ. وهذا نتيجة للتفاعلات مع الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا (الأحمر)، والتي تكون غائبة في حالة الصدمة الأسرع (الأسود). وبما أن الإلكترونات عالية الطاقة فقط هي التي تنتج انبعاثات راديوية يمكن ملاحظتها، فإن هذا يوضح أهمية فهم فيزياء عملية التسارع. مصدر الصورة: شلبي/AIP

التشبيه الجيد لهذا السلوك هو أن جزيئات الماء الفردية تشكل مجتمعة موجة تنكسر على الشاطئ. يوضح الدكتور محمد شلبي: “لم يكن هذا التقدم ممكنًا إلا من خلال النظر في مقاييس أصغر مهملة سابقًا، والتي تتحدى استخدام النظريات الهيدروديناميكية الفعالة في دراسة عمليات البلازما”.

الآثار والتطبيقات

هناك العديد من التطبيقات على عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا، بما في ذلك التفسير الأول لكيفية تسريع الإلكترونات الموجودة في البلازما الحرارية بين النجوم إلى طاقات عالية في بقايا المستعرات الأعظم.

يقول محمد شلبي: “يمثل عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا تقدمًا كبيرًا في فهمنا لعملية التسارع ويفسر أخيرًا سبب توهج بقايا المستعرات الأعظم في أشعة الراديو وأشعة جاما”.

علاوة على ذلك، فإن هذا الاكتشاف الرائد يفتح الباب أمام فهم أعمق للعمليات الأساسية لنقل الأشعة الكونية في المجرات، والتي تمثل اللغز الأكبر في فهمنا للعمليات التي تشكل المجرات أثناء تطورها الكوني.

المراجع:

“”فك رموز الأسس المادية لعدم الاستقرار على المدى المتوسط”” بقلم محمد شلبي، وتيمون توماس، وكريستوف بفرومر، وروفين ليمرز، وفيرجينيا بريشي، 12 ديسمبر 2023، مجلة فيزياء البلازما.
دوى: 10.1017/S0022377823001289

“آلية التسارع الفعال للإلكترونات أثناء الصدمات الموازية غير النسبية” بقلم محمد شلبي، روفين ليمرز، تيمون توماس، كريستوف بفرومير، ٤ مايو ٢٠٢٢، الفيزياء الفلكية > ظواهر فيزيائية فلكية عالية الطاقة.
أرخايف:2202.05288

“حالة عدم استقرار جديدة بسبب الأشعة الكونية” بقلم محمد شلبي وتيمون توماس وكريستوف بفرومر، 24 فبراير 2021، ال مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/abd02d