Una nueva inestabilidad del plasma arroja luz sobre la naturaleza de los rayos cósmicos
Por: Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam,
12 de diciembre de 2023
Simulación de rayos cósmicos que se contraponen a un plasma de fondo y provocan una inestabilidad del plasma. Crédito de la imagen: Shalaby/AIP.
Científicos del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) han descubierto una nueva inestabilidad del plasma que promete revolucionar nuestra comprensión del origen de los rayos cósmicos y su impacto dinámico en las galaxias. A principios del siglo pasado, Victor Hess descubrió un nuevo fenómeno llamado rayos cósmicos que más tarde le valió el premio Nobel. Realizó vuelos en globo a gran altitud para descubrir que la atmósfera de la Tierra no está ionizada por la radiactividad del suelo.
En cambio, confirmó que el origen de la ionización era extraterrestre. Posteriormente, se determinó que los "rayos" consisten en partículas cargadas del espacio exterior que vuelan cerca de la velocidad de la luz en lugar de radiación. Sin embargo, el nombre "rayos cósmicos" sobrevivió a estos hallazgos. En el nuevo estudio, el Dr. Mohamad Shalaby, científicos del AIP y autor principal de este estudio, hizo un seguimiento de las trayectorias de muchas partículas de rayos cósmicos y estudiar cómo interactúan con el plasma circundante formado por electrones y protones.
Cuando los investigadores estudiaron los rayos cósmicos que volaban de un lado a otro de la simulación, descubrieron un nuevo fenómeno que excita ondas electromagnéticas en el plasma de fondo. Estas ondas ejercen una fuerza sobre los rayos cósmicos, que cambia sus trayectorias sinuosas. Lo más importante es que este nuevo fenómeno se puede entender mejor si consideramos que los rayos cósmicos no actúan como partículas individuales sino que sustentan una onda electromagnética colectiva. Cuando esta onda interactúa con las ondas fundamentales del fondo, éstas se amplifican fuertemente y se produce una transferencia de energía.
"Esta idea nos permite considerar que los rayos cósmicos se comportan en este contexto como radiación y no como partículas individuales, tal como lo creía originalmente Victor Hess", afirma el profesor Christoph Pfrommer, jefe de la sección de Cosmología y Astrofísica de Altas Energías del AIP. Una buena analogía para este comportamiento es que las moléculas de agua individuales forman colectivamente una ola que rompe en la orilla. "Este progreso sólo se produjo al considerar escalas más pequeñas que antes se habían pasado por alto y que cuestionan el uso de teorías hidrodinámicas efectivas al estudiar los procesos del plasma", explica el Dr. Mohamad Shalaby.
Hay muchas aplicaciones de esta inestabilidad del plasma recientemente descubierta, incluida una primera explicación de cómo los electrones del plasma interestelar térmico pueden acelerarse a altas energías en los restos de supernova. Además, este descubrimiento innovador abre la puerta a una comprensión más profunda de los procesos fundamentales del transporte de rayos cósmicos en las galaxias, lo que representa el mayor misterio en nuestra comprensión de los procesos que dan forma a las galaxias durante su evolución cósmica.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-12-plasma-instability-nature-cosmic-rays.html