كيف يغير عدم استقرار البلازما رؤيتنا للكون

اكتشف علماء من معهد لايبنيز للفيزياء الفلكية 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، والتي أكسبته فيما بعد جائزة نوبل. أجرى رحلات منطاد على ارتفاعات عالية ليجد أن الغلاف الجوي للأرض لا يتأين بسبب النشاط الإشعاعي للأرض. وبدلا من ذلك، أكد أن أصل التأين كان خارج الأرض. وفي وقت لاحق، تم تحديد أن “الأشعة” الكونية تتكون من جسيمات مشحونة من الفضاء الخارجي تحلق بسرعة قريبة من سرعة الضوء بدلا من إشعاع. ومع ذلك، فإن اسم “الأشعة الكونية” صمد بعد هذه النتائج.

التطورات الحديثة في أبحاث الأشعة الكونية

في الدراسة الجديدة، قام الدكتور محمد شلبي، العلماء في معهد AIP والمؤلف الرئيسي لهذه الدراسة، ومعاونوه بإجراء عمليات محاكاة عددية لتتبع مسارات العديد من جسيمات الأشعة الكونية ودراسة كيفية تفاعلها مع البلازما المحيطة المكونة من إلكترونات و البروتونات.

محاكاة للأشعة الكونية التي تتدفق بشكل مضاد على خلفية البلازما وتثير عدم استقرار البلازما. يظهر هنا توزيع جسيمات الخلفية التي تستجيب للأشعة الكونية المتدفقة في فضاء الطور، والذي يمتد حسب موضع الجسيم (المحور الأفقي) والسرعة (المحور الرأسي). تصور الألوان كثافة الأرقام وفتحات مساحة الطور هي مظاهر للطبيعة الديناميكية للغاية لعدم الاستقرار الذي يتبدد في 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 يغير 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 الرؤية باعتبار الأشعة الكونية تتصرف مثل الإشعاع وليست جسيمات فردية في هذا السياق، تمامًا كما كان يعتقد في الأصل فيكتور هيس”. .

توزيع عزم البروتونات (الخطوط المتقطعة) والإلكترونات (الخطوط الصلبة). يظهر هنا ظهور ذيل الإلكترونات عالي الطاقة عند صدمة متحركة أبطأ. وهذا نتيجة للتفاعلات مع الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا (الأحمر)، والتي تكون غائبة في حالة الصدمة الأسرع (الأسود). ونظرًا لأن الإلكترونات عالية الطاقة فقط هي التي تنتج انبعاثًا راديويًا يمكن ملاحظته، فإن هذا يوضح أهمية فهم فيزياء عملية التسارع. مصدر الصورة: شلبي/AIP

التشبيه الجيد لهذا السلوك هو أن جزيئات الماء الفردية تشكل مجتمعة موجة تتكسر عند الشاطئ. “لم يتحقق هذا التقدم إلا من خلال النظر في المقاييس الأصغر التي تم التغاضي عنها سابقًا والتي تشكك في استخدام النظريات الهيدروديناميكية الفعالة عند دراسة عمليات البلازما”، يوضح الدكتور محمد شلبي.

الآثار والتطبيقات

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

يقول محمد شلبي: “يمثل عدم استقرار البلازما المكتشف حديثًا قفزة كبيرة في فهمنا لعملية التسارع ويفسر أخيرًا سبب تألق 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، وهو ما يمثل اللغز الأكبر في فهمنا للعمليات التي تشكل المجرات خلال تطورها الكوني.

مراجع:

“”فك رموز الأساس المادي لعدم الاستقرار متوسط ​​النطاق”” بقلم محمد شلبي، وتيمون توماس، وكريستوف بفرومر، وروفين ليمرز، وفيرجينيا بريشي، 12 ديسمبر 2023، مجلة فيزياء البلازما.
دوى: 10.1017/S0022377823001289

“آلية تسريع الإلكترون الفعال عند الصدمات غير النسبية المتوازية” بقلم محمد شلبي، روفين ليمرز، تيمون توماس، كريستوف بفرومر، ٤ مايو ٢٠٢٢، الفيزياء الفلكية > الظواهر الفيزيائية الفلكية عالية الطاقة.
أرخايف:2202.05288

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