等离子体显示出的不稳定性彻底改变了学界对宇宙射线的认识

波茨坦莱布尼兹天体物理研究所（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动态影响的认识。

上世纪初，维克多-赫斯发现了一种名为宇宙射线的新现象，并因此获得了诺贝尔奖。他进行了高空气球飞行，发现地球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地外的。随后，人们确定宇宙"射线"是由来自外太空以接近光速飞行的带电粒子组成，而不是辐射。不过，"宇宙射线"这一名称在这些发现之后才被使用。

在这项新研究中，AIP 的科学家、本研究的主要作者 Mohamad Shalaby 博士及其合作者进行了数值模拟，跟踪许多宇宙射线粒子的轨迹，研究这些粒子如何与周围由电子和质子组成的等离子体相互作用。

模拟宇宙射线逆流撞击背景等离子体并激发等离子体不稳定性。图中显示的是对宇宙射线流做出反应的背景粒子在相空间中的分布，相空间由粒子位置（横轴）和速度（纵轴）跨度构成。颜色直观地显示了粒子的数量密度，而相空间空洞则体现了不稳定性的高度动态性，它将有序运动消散为随机运动。资料来源：Shalaby/AIP

当研究人员对从模拟的一侧飞向另一侧的宇宙射线进行研究时，他们发现了一种在背景等离子体中激发电磁波的新现象。这些波对宇宙射线施加了一种力，从而改变了它们的缠绕路径。

将宇宙射线理解为集体现象

最重要的是，如果我们不把宇宙射线看作是单独的粒子，而是看作是支持一种集体电磁波，就能最好地理解这种新现象。当这种电磁波与背景中的基波相互作用时，这些基波会被强烈放大，并发生能量转移。

AIP宇宙学与高能天体物理学部主任克里斯托夫-普夫罗默（Christoph Pfrommer）教授说："这一洞察力使我们能够将宇宙射线视为辐射，而不是单个粒子。"

质子（虚线）和电子（实线）的动量分布。图中显示的是电子在运动较慢的冲击波中出现的高能量尾部。这是与新发现的等离子体不稳定性（红色）产生的电磁波相互作用的结果，而在速度较快的冲击波（黑色）中则没有这种电磁波。由于只有高能电子才会产生可观测到的射电辐射，这表明了解加速过程的物理学原理非常重要。资料来源：Shalaby/AIP

"对于这种行为，一个很好的比喻是单个水分子共同形成的波浪冲向海岸。"Mohamad Shalaby 博士解释说："只有考虑到以前被忽视的较小尺度，并质疑在研究等离子体过程时使用有效流体力学理论，才能取得这一进展。"

影响和应用

这种新发现的等离子体不稳定性有很多应用，包括首次解释了热星际等离子体中的电子如何在超新星残骸中被加速到高能量。

穆罕默德-沙拉比（Mohamad Shalaby）报告说："这一新发现的等离子体不稳定性是我们对加速过程理解的重大飞跃，并最终解释了为什么这些超新星残骸在射电和伽马射线中闪闪发光。"

此外，这一突破性发现为我们更深入地了解宇宙射线在星系中传输的基本过程打开了大门，而这正是我们了解星系在宇宙演化过程中形成过程的最大谜团。

参考文献

《解密中间尺度不稳定性的物理基础》，作者：Mohamad Shalaby、Timon Thomas、Christoph Pfrommer、Rouven Lemmerz 和 Virginia Bresci，2023 年 12 月 12 日，《等离子体物理学杂志》。

doi: 10.1017/s0022377823001289

"Mohamad Shalaby、Rouven Lemmerz、Timon Thomas、Christoph Pfrommer合著的《平行非相对论冲击下电子高效加速的机制》，2022年5月4日，《天体物理学》（Astrophysics） > 《高能天体物理现象》（High Energy Astrophysical Phenomena）。

arXiv:2202.05288

《新的宇宙射线驱动不稳定性》，作者：Mohamad Shalaby、Timon Thomas 和 Christoph Pfrommer，2021 年 2 月 24 日，《天体物理学报》。

DOI: 10.3847/1538-4357/abd02d

编译来源：ScitechDaily