プラズマの不安定性が宇宙観をどう変えるか

ポツダム・ライプニッツ天体物理学研究所（AIP）の科学者が新しい天体を発見した プラズマ この不安定性は、宇宙線の起源と銀河に対する力学的な影響についての私たちの理解に革命を起こすことになるでしょう。

前世紀の初めに、ビクター・ヘスは宇宙線と呼ばれる新しい現象を発見し、後にノーベル賞を受賞しました。 彼は高高度気球飛行を行って、地球の大気が地球の放射能によって電離されていないことを発見しました。 その代わりに、彼はイオン化の起源が地球外にあることを確認した。 その後、宇宙「線」は宇宙から光速ではなく光速に近い速度で移動する荷電粒子で構成されていることが判明しました。 放射線。 しかし、これらの結果を受けて「宇宙線」という名前が定着しました。

宇宙線研究の最近の発展

新しい研究では、AIP研究所の科学者であり、この研究の筆頭著者であるモハメド・シャラビ博士と彼の共同研究者が数値シミュレーションを実行して、いくつかの宇宙線粒子の経路を追跡し、宇宙線粒子が周囲のプラズマとどのように相互作用するかを研究した。電子と陽子。

プラズマ背景に逆流してプラズマの不安定性を引き起こす宇宙線のシミュレーション。 ここでは、位相空間を流れる宇宙線に応答する背景粒子の分布を、粒子の位置（横軸）と速度（縦軸）に渡って示しています。 数密度と位相空間開口部の色の認識は、ランダムな動きで消散する不安定性の非常に動的な性質の現れです。 画像出典: シャラビ/AIP

研究者らがシミュレーションの一方の側からもう一方の側に移動する宇宙線を研究したところ、背景プラズマ内で電磁波を励起する新しい現象を発見しました。 これらの波は宇宙線に力を及ぼし、曲がりくねった経路を変えます。

宇宙線を集合現象として理解する

最も重要なことは、宇宙線が個々の粒子として機能するのではなく、集合的な電磁波をサポートしていると考えると、この新しい現象をよりよく理解できるということです。 この波が基本的な背景波と相互作用すると、強く増幅され、エネルギー伝達が発生します。

「この考え方により、ヴィクトール・ヘスが当初考えていたように、この文脈では宇宙線が個々の粒子としてではなく、放射線のように振る舞うと考えることができます」とAIPの高エネルギー宇宙論・天体物理学科長のクリストフ・プフロマー教授は言う。 。

陽子（破線）と電子（実線）の運動量分布。 ここに示されているのは、よりゆっくりと移動する衝撃での高エネルギー電子の尾の外観です。 これは、新たに発見されたプラズマの不安定性（赤）によって生成される電磁波との相互作用の結果であり、より速い衝撃（黒）の場合には存在しません。 高エネルギー電子のみが観測可能な電波放射を生成するため、このことは加速プロセスの物理学を理解することの重要性を強調しています。 画像出典: シャラビ/AIP

この動作をよく例えると、個々の水分子が集合して波を形成し、海岸で砕けるということです。 「この進歩は、プラズマプロセスを研究する際に効果的な流体力学理論の使用に疑問を投げかける、これまで見落とされていたより小さなスケールを考慮することによってのみ達成されました」とモハメド・シャラビ博士は説明します。

効果と用途

新しく発見されたプラズマの不安定性には多くの応用例があり、その中には星間熱プラズマからの電子が超新星残骸内でどのようにして高エネルギーまで加速されるのかについての最初の説明も含まれる。

「新たに発見されたプラズマの不安定性は、加速過程に関する私たちの理解に大きな進歩をもたらし、超新星残骸がなぜ電波やガンマ線で輝くのかを最終的に説明しました」とモハメド・シャラビ氏は言う。

さらに、この先駆的な発見は、銀河における宇宙線透過の基本的なプロセスのより深い理解への扉を開きます。これは、宇宙の進化の過程で銀河を形成するプロセスの理解における最大の謎を表しています。

参考文献:

「メソスケール不安定性の物理的基礎の解読」モハメド・シャラビ、ティモン・トーマス、クリストフ・プフロマー、ルーベン・レンマーズ、ヴァージニア・ブレスキ著、2023年12月12日、 プラズマ物理学ジャーナル。
土井: 10.1017/S0022377823001289

「平行非相対論的衝撃における効果的な電子加速メカニズム」Mohamed Shalabi、Reuven Lemmers、Timon Thomas、Christoph Pfromer、2022 年 5 月 4 日、 天体物理学 > 高エネルギー天体物理現象。
arXiv:2202.05288

「宇宙線による新たな不安定性」モハメド・シャラビ、ティモン・トーマス、クリストフ・プフロマー著、2021年2月24日、 の 天体物理ジャーナル。
土井: 10.3847/1538-4357/abd02d