Comment l’instabilité du plasma change notre vision de l’univers

Des scientifiques de l’Institut Leibniz d’astrophysique de Potsdam (AIP) ont découvert un nouvel objet plasma Cette instabilité est en passe de révolutionner notre compréhension de l’origine des rayons cosmiques et de leur influence dynamique sur les galaxies.

Au début du siècle dernier, Victor Hess a découvert un nouveau phénomène appelé rayons cosmiques, qui lui a valu plus tard un prix Nobel. Il a effectué des vols en ballon à haute altitude pour constater que l’atmosphère terrestre n’était pas ionisée en raison de la radioactivité terrestre. Au lieu de cela, il a confirmé que l’origine de l’ionisation était extraterrestre. Plus tard, il a été déterminé que les « rayons » cosmiques étaient constitués de particules chargées provenant de l’espace se déplaçant à une vitesse proche de celle de la lumière plutôt que… radiation. Cependant, le nom de « rayons cosmiques » est resté après ces résultats.

Développements récents dans la recherche sur les rayons cosmiques

Dans la nouvelle étude, le Dr Mohamed Shalabi, scientifique à l’Institut AIP et auteur principal de cette étude, et ses collaborateurs ont effectué des simulations numériques pour suivre les trajectoires de plusieurs particules de rayons cosmiques et étudier comment elles interagissent avec le plasma environnant composé de électrons et protons.

Simulation de rayons cosmiques circulant à contre-courant sur un fond de plasma et déclenchant une instabilité du plasma. Voici la distribution des particules de fond répondant aux rayons cosmiques circulant dans l’espace des phases, qui s’étend sur la position des particules (axe horizontal) et la vitesse (axe vertical). La perception des couleurs des densités numériques et des ouvertures de l’espace de phase sont des manifestations de la nature hautement dynamique de l’instabilité qui se dissipe dans des mouvements aléatoires. Source de l’image : Shalabi/AIP

Lorsque les chercheurs ont étudié les rayons cosmiques se propageant d’un côté à l’autre de la simulation, ils ont découvert un nouveau phénomène qui excite les ondes électromagnétiques dans le plasma de fond. Ces ondes exercent une force sur les rayons cosmiques, modifiant ainsi leurs trajectoires sinueuses.

Comprendre les rayons cosmiques comme phénomène collectif

Plus important encore, ce nouveau phénomène peut être mieux compris si l’on considère que les rayons cosmiques n’agissent pas comme des particules individuelles, mais soutiennent plutôt une onde électromagnétique collective. Lorsque cette onde interagit avec les ondes fondamentales de fond, elle est fortement amplifiée et un transfert d’énergie se produit.

« Cette vision nous permet de considérer les rayons cosmiques comme des rayonnements et non comme des particules individuelles dans ce contexte, tout comme Viktor Hess le pensait à l’origine », explique le professeur Christoph Pfromer, chef du département de cosmologie et d’astrophysique des hautes énergies à l’AIP. .

Distribution d’impulsion des protons (lignes pointillées) et des électrons (lignes pleines). On voit ici l’apparition d’une queue d’électrons de haute énergie lors d’un choc plus lent. Ceci est le résultat des interactions avec les ondes électromagnétiques générées par les instabilités du plasma nouvellement découvertes (en rouge), qui sont absentes dans le cas du choc plus rapide (en noir). Étant donné que seuls les électrons de haute énergie produisent des émissions radio observables, cela souligne l’importance de comprendre la physique du processus d’accélération. Source de l’image : Shalabi/AIP

Une bonne analogie pour ce comportement est que les molécules d’eau individuelles forment collectivement une vague qui se brise sur le rivage. « Ces progrès n’ont été réalisés qu’en considérant des échelles plus petites, jusqu’alors négligées, qui remettent en question l’utilisation de théories hydrodynamiques efficaces dans l’étude des processus plasmatiques », explique le Dr Mohamed Shalabi.

Effets et applications

Les instabilités du plasma récemment découvertes ont de nombreuses applications, notamment la première explication de la façon dont les électrons du plasma thermique interstellaire sont accélérés à des énergies élevées dans les restes de supernova.

« L’instabilité du plasma récemment découverte représente un progrès majeur dans notre compréhension du processus d’accélération et explique enfin pourquoi les restes de supernova brillent dans les rayons radio et gamma », explique Mohamed Shalabi.

De plus, cette découverte pionnière ouvre la porte à une compréhension plus approfondie des processus fondamentaux de transmission des rayons cosmiques dans les galaxies, qui représentent le plus grand mystère dans notre compréhension des processus qui façonnent les galaxies au cours de leur évolution cosmique.

Les références:

« Décrypter les bases physiques de l’instabilité à méso-échelle » par Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers et Virginia Breschi, 12 décembre 2023, Journal de physique des plasmas.
est ce que je: 10.1017/S0022377823001289

« Mécanisme d’accélération efficace des électrons lors de chocs parallèles non relativistes » par Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 mai 2022, Astrophysique > Phénomènes astrophysiques des hautes énergies.
arXiv:2202.05288

« Une nouvelle instabilité provoquée par les rayons cosmiques » par Mohamed Shalabi, Timon Thomas et Christoph Pfromer, 24 février 2021, le Journal d’astrophysique.
est ce que je: 10.3847/1538-4357/abd02d