科學家發現了一種新的等離子體不穩定性，徹底改變了我們對宇宙射線的認識。這項突破揭示了宇宙射線會在等離子體中產生電磁波，影響它們的運動軌跡。宇宙射線的這種集體行為類似於水分子形成的波，它挑戰了以往的理論，有望讓我們深入了解宇宙射線在星系中的傳輸及其在星系演化中的作用。

波茨坦萊布尼茲天文物理研究所（AIP）的科學家發現了一種新的等離子體不穩定性，有望徹底改變我們對宇宙射線起源及其對星系動態影響的認識。

在上世紀初，維克多-赫斯發現了一種名為宇宙射線的新現象，並因此獲得了諾貝爾獎。他進行了高空氣球飛行，發現地球大氣層並沒有被地面的放射性電離。相反，他證實了電離的起源是地外的。隨後，人們確定宇宙”射線”是由來自外太空以接近光速飛行的帶電粒子組成，而不是輻射。不過，”宇宙射線”這一名稱在這些發現之後才被使用。

在這項新研究中，AIP 的科學家、本研究的主要作者Mohamad Shalaby 博士及其合作者進行了數值模擬，追蹤許多宇宙射線粒子的軌跡，研究這些粒子如何與周圍由電子和質子組成的等離子體相互作用。

模擬宇宙射線逆流撞擊背景等離子體並激發等離子體不穩定性。圖中顯示的是對宇宙射線流做出反應的背景粒子在相空間中的分佈，相空間由粒子位置（橫軸）和速度（縱軸）跨度構成。顏色直觀地顯示了粒子的數量密度，而相空間空洞則體現了不穩定性的高度動態性，它將有序運動消散為隨機運動。資料來源：Shalaby/AIP

當研究人員對從模擬的一側飛向另一側的宇宙射線進行研究時，他們發現了一種在背景等離子體中激發電磁波的新現象。這些波對宇宙射線施加了一種力，從而改變了它們的纏繞路徑。

將宇宙射線理解為集體現象

最重要的是，如果我們不把宇宙射線看成是單獨的粒子，而是看作是支持一種集體電磁波，就能最好地理解這種新現象。當這種電磁波與背景中的基波相互作用時，這些基波會被強烈放大，並發生能量轉移。

AIP宇宙學與高能天文物理學部主任克里斯托夫-普夫羅默（Christoph Pfrommer）教授說：”這一洞察力使我們能夠將宇宙射線視為輻射，而不是單個粒子。 “

質子（虛線）和電子（實線）的動量分佈。圖中顯示的是電子在運動較慢的衝擊波中出現的高能量尾部。這是與新發現的等離子體不穩定性（紅色）產生的電磁波相互作用的結果，而在速度較快的衝擊波（黑色）中則沒有這種電磁波。由於只有高能量電子才會產生可觀測到的電波輻射，這表明了解加速過程的物理原理非常重要。資料來源：Shalaby/AIP

“對於這種行為，一個很好的比喻是單一水分子共同形成的波浪沖向海岸。 “Mohamad Shalaby 博士解釋說：”只有考慮到以前被忽視的較小尺度，並質疑在研究等離子體過程時使用有效流體力學理論，才能取得這一進展。 “

影響和應用

這種新發現的等離子體不穩定性有許多應用，包括首次解釋了熱星際等離子體中的電子如何在超新星殘骸中被加速到高能量。

穆罕默德-沙拉比（Mohamad Shalaby）報告說：”這一新發現的等離子體不穩定性是我們對加速過程理解的重大飛躍，並最終解釋了為什麼這些超新星殘骸在射電和伽馬射線中閃閃發光。 “

此外，這項突破性發現為我們更深入了解宇宙射線在星系中傳輸的基本過程打開了大門，而這正是我們了解星系在宇宙演化過程中形成過程的最大謎團。

參考文獻

《解密中間尺度不穩定性的物理基礎》，作者：Mohamad Shalaby、Timon Thomas、Christoph Pfrommer、Rouven Lemmerz 和 Virginia Bresci，2023 年 12 月 12 日，《等離子體物理學雜誌》。

doi: 10.1017/s0022377823001289

“Mohamad Shalaby、Rouven Lemmerz、Timon Thomas、Christoph Pfrommer合著的《平行非相對論衝擊下電子高效加速的機制》，2022年5月4日，《天文物理學》（Astrophysics） > 《高能天文物理現象》（High Energy Astrophysical Phenomena）。

arXiv:2202.05288

《新的宇宙射線驅動不穩定性》，作者：Mohamad Shalaby、Timon Thomas 和 Christoph Pfrommer，2021 年 2 月 24 日，《天文物理學報》。

DOI: 10.3847/1538-4357/abd02d

編譯來源：ScitechDaily