来自波茨坦莱布尼茨天体物理研究所(AIP)的科学家们发现了一种新的等离子体不稳定性，有望彻底改变我们对宇宙射线起源及其对星系的动态影响的理解。

在上个世纪初，维克多·赫斯发现了一种叫做宇宙射线的新现象，后来为他赢得了诺贝尔奖。他进行了高空气球飞行，发现地球的大气层并没有被地面的放射性电离。相反，他证实了电离的起源是外星的。随后，人们确定宇宙“射线”是由来自外层空间的带电粒子组成的，它们以接近光速的速度飞行，而不是辐射。然而，“宇宙射线”这个名字在这些发现之后仍然存在。

在这项新研究中，AIP的科学家、本研究的主要作者穆罕默德·沙拉比博士(Mohamad Shalaby)和他的合作者进行了数值模拟，跟踪了许多宇宙射线粒子的轨迹，并研究了它们如何与周围由电子和质子组成的等离子体相互作用。论文出现在预印本服务器arXiv上。

当研究人员研究宇宙射线从模拟的一边飞到另一边时，他们发现了一种新现象，即在背景等离子体中激发电磁波。这些波对宇宙射线施加了一种力，改变了它们蜿蜒的路径。

最重要的是，如果我们认为宇宙射线不是单独的粒子，而是支持一个集体的电磁波，那么这种新现象就能得到最好的理解。当这个波与背景中的基本波相互作用时，这些波被强烈放大，并发生能量转移。

AIP宇宙学和高能天体物理学部门负责人Christoph Pfrommer教授说:“这一发现使我们能够将宇宙射线视为辐射，而不是在这种情况下的单个粒子，就像维克多·赫斯最初认为的那样。”这种行为的一个很好的类比是单个水分子共同形成一个在海岸破裂的波浪。

Mohamad Shalaby博士解释说:“这一进展只是通过考虑以前被忽视的更小的尺度来实现的，并且在研究等离子体过程时质疑有效的流体动力学理论的使用。”

这种新发现的等离子体不稳定性有许多应用，包括首次解释来自热星际等离子体的电子如何在超新星遗迹中被加速到高能量。

“这种新发现的等离子体不稳定性代表了我们对加速过程的理解的重大飞跃，并最终解释了为什么这些超新星遗迹在射电和伽马射线中发光，”穆罕默德·沙拉比报告说。此外，这一突破性的发现为我们更深入地了解星系中宇宙射线传输的基本过程打开了大门，这代表了我们对宇宙演化过程中塑造星系过程的最大谜团。

更多资料:Mohamad Shalaby等人，破译中等尺度不稳定性的物理基础，arXiv(2023)。DOI: 10.48550 / arxiv.2305.18050

期刊信息:arXiv

由波茨坦莱布尼茨天体物理研究所提供

引用本文:新的等离子体不稳定性揭示了宇宙射线的本质(2023,12月12日)，2023年12月12日检索自https://phys.org/news/2023-12-plasma-instability-nature-cosmic-rays.html

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