Bagaimana Ketidakstabilan Plasma Mengubah Pandangan Kita tentang Alam Semesta

Para ilmuwan dari Institut Leibniz untuk Astrofisika Potsdam (AIP) telah membuat penemuan baru plasma ketidakstabilan yang menjanjikan merevolusi pemahaman kita tentang asal usul sinar kosmik dan dampak dinamisnya terhadap galaksi.

Pada awal abad yang lalu, Victor Hess menemukan fenomena baru bernama sinar kosmik yang kemudian membuatnya mendapatkan Hadiah Nobel. Dia melakukan penerbangan balon di ketinggian untuk menemukan bahwa atmosfer bumi tidak terionisasi oleh radioaktivitas tanah. Sebaliknya, ia menegaskan bahwa asal muasal ionisasi berasal dari luar bumi. Selain itu, ditentukan bahwa “sinar” kosmik terdiri dari partikel bermuatan dari luar angkasa yang terbang mendekati kecepatan cahaya radiasi. Namun, nama “sinar kosmik” lebih tua dari penemuan ini.

Kemajuan Terbaru dalam Penelitian Sinar Kosmik

Dalam studi baru ini, Dr. Mohamad Shalaby, seorang ilmuwan di AIP dan penulis utama studi tersebut, dan kolaboratornya telah melakukan simulasi numerik untuk mengikuti lintasan banyak partikel sinar kosmik dan mempelajari bagaimana mereka berinteraksi dengan plasma di sekitarnya yang terdiri dari elektron. dan proton.

Simulasi sinar kosmik yang mengalir kembali dengan latar belakang plasma dan menyebabkan ketidakstabilan plasma. Yang ditampilkan adalah distribusi partikel latar yang merespons aliran sinar kosmik dalam ruang fase, yang direntang berdasarkan posisi partikel (sumbu horizontal) dan kecepatan (sumbu vertikal). Warna memvisualisasikan kepadatan angka dan lubang ruang fase adalah manifestasi dari sifat ketidakstabilan yang sangat dinamis yang menghilang secara teratur menjadi gerakan acak. Kredit: Shalaby/AIP

Ketika para peneliti mempelajari sinar kosmik yang terbang dari satu sisi simulasi ke sisi lain, mereka menemukan fenomena baru yang membangkitkan gelombang elektromagnetik di latar belakang plasma. Gelombang-gelombang ini memberikan kekuatan pada sinar kosmik, yang mengubah jalur berkelok-keloknya.

Memahami Sinar Kosmik sebagai Fenomena Kolektif

Yang terpenting, fenomena baru ini dapat dipahami dengan baik jika kita mempertimbangkan bahwa sinar kosmik tidak bertindak sebagai partikel individual melainkan mendukung gelombang elektromagnetik kolektif. Ketika gelombang ini berinteraksi dengan gelombang fundamental di latar belakang, gelombang tersebut diperkuat dengan kuat dan terjadi transfer energi.

“Pemahaman ini memungkinkan kita untuk mempertimbangkan sinar kosmik berperilaku seperti radiasi dan bukan partikel individu dalam konteks ini, seperti yang awalnya diyakini oleh Victor Hess,” kata Profesor Christoph Pfrommer, kepala bagian Kosmologi dan Astrofisika Energi Tinggi di AIP.

Distribusi momentum proton (garis putus-putus) dan elektron (garis padat). Apa yang ditunjukkan adalah munculnya ekor elektron berenergi tinggi pada guncangan yang bergerak lebih lambat. Ini adalah hasil interaksi gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh ketidakstabilan plasma yang baru ditemukan (merah), dan tidak terjadi karena guncangan yang lebih cepat (hitam). Karena hanya elektron berenergi tinggi yang menghasilkan emisi radio yang dapat diamati, hal ini menunjukkan pentingnya memahami fisika proses percepatan. Kredit: Shalaby/AIP

Analogi yang baik untuk perilaku ini adalah molekul air secara individu secara kolektif membentuk gelombang yang pecah di pantai. “Kemajuan ini hanya dapat dicapai dengan mempertimbangkan skala yang lebih kecil yang sebelumnya diabaikan dan mempertanyakan efektivitas penggunaan teori hidrodinamik ketika mempelajari proses plasma,” jelas Dr. Mohamad Shalaby.

Implikasi dan Penerapan

Ada banyak penerapan dari ketidakstabilan plasma yang baru ditemukan ini, termasuk penjelasan pertama tentang bagaimana elektron dari plasma termal antarbintang dapat dipercepat menjadi energi tinggi dalam sisa-sisa supernova.

“Ketidakstabilan plasma yang baru ditemukan ini mewakili lompatan signifikan dalam pemahaman kita tentang proses percepatan dan akhirnya menjelaskan mengapa sisa-sisa supernova ini bersinar di radio dan sinar gamma,” lapor Mohammad Shalaby.

Selain itu, penemuan inovatif ini membuka pintu bagi pemahaman yang lebih mendalam tentang proses mendasar transportasi sinar kosmik di galaksi, yang mewakili misteri terbesar dalam pemahaman kita tentang proses yang membentuk galaksi selama evolusi kosmiknya.

Referensi:

“Menguraikan dasar fisik ketidakstabilan skala menengah” oleh Mohamad Shalaby, Timon Thomas, Christoph Pfrommer, Rouven Lemmerz dan Virginia Bresci, 12 Desember 2023, Jurnal Fisika Plasma.
DOI: 10.1017/S0022377823001289

“Mekanisme percepatan elektron yang efisien dalam guncangan non-relativistik paralel” oleh Mohamad Shalaby, Rouven Lemmerz, Timon Thomas, Christoph Pfrommer, 4 Mei 2022, Astrofisika > Fenomena Astrofisika Energi Tinggi.
arXiv:2202.05288

“Ketidakstabilan Baru yang Didorong oleh Sinar Kosmik” oleh Mohamad Shalaby, Timon Thomas dan Christoph Pfrommer, 24 Februari 2021, Itu Jurnal Astrofisika.
DOI: 10.3847/1538-4357/abd02d