Raggi cosmici: l’instabilità del plasma svela nuovi segreti

Gli scienziati dell’Istituto Leibniz di Astrofisica di Potsdam (AIP) hanno scoperto una nuova instabilità del plasma che promette di rivoluzionare la nostra comprensione dell’origine del raggi cosmici e il loro impatto dinamico sulle galassie.

All’inizio del secolo scorso, Victor Hess scoprì un nuovo fenomeno chiamato raggi cosmici che gli valse poi il premio Nobel. Condusse voli in mongolfiera ad alta quota per scoprire che l’atmosfera terrestre non è ionizzata dalla radioattività del suolo. Confermò invece che l’origine della ionizzazione era extraterrestre. Successivamente, fu stabilito che i “raggi” cosmici sono costituiti da particelle cariche provenienti dallo spazio esterno che volano a una velocità prossima a quella della luce anziché da radiazione. Tuttavia, il nome “raggi cosmici” è sopravvissuto a queste scoperte.

Recenti progressi nella ricerca sui raggi cosmici

Nel nuovo studio, il dottor Mohamad Shalaby, scienziato dell’AIP e autore principale, e i suoi collaboratori hanno eseguito simulazioni numeriche per seguire le traiettorie di molte particelle di raggi cosmici e studiare come queste interagiscono con il plasma circostante costituito da elettroni e protoni.

Quando i ricercatori hanno studiato i raggi cosmici che volavano da un lato all’altro della simulazione, hanno scoperto un nuovo fenomeno che eccita le onde elettromagnetiche nel plasma di fondo. Queste onde esercitano una forza sui raggi cosmici, che ne modifica i percorsi tortuosi.

Simulazione di raggi cosmici che si propagano contro un plasma di fondo ed eccitano l'instabilità del plasma. Viene mostrata la distribuzione delle particelle di fondo che rispondono al flusso di raggi cosmici nello spazio delle fasi, che è attraversato dalla posizione delle particelle (asse orizzontale) e dalla velocità (asse verticale). I colori visualizzano la densità dei numeri e i buchi dello spazio delle fasi sono manifestazioni della natura altamente dinamica dell'instabilità che si dissipa ordinata in movimenti casuali. Credito: Shalaby/AIP
Simulazione di raggi cosmici che si propagano contro un plasma di fondo ed eccitano l’instabilità del plasma. Viene mostrata la distribuzione delle particelle di fondo che rispondono al flusso di raggi cosmici nello spazio delle fasi, che è attraversato dalla posizione delle particelle (asse orizzontale) e dalla velocità (asse verticale). I colori visualizzano la densità dei numeri e i buchi dello spazio delle fasi sono manifestazioni della natura altamente dinamica dell’instabilità che si dissipa ordinata in movimenti casuali. Credito: Shalaby/AIP

Comprendere i raggi cosmici come fenomeni collettivi

Ancora più importante, questo nuovo fenomeno può essere meglio compreso se consideriamo che i raggi cosmici non agiscono come particelle individuali ma sostengono invece un’onda elettromagnetica collettiva. Poiché quest’onda interagisce con le onde fondamentali dello sfondo, queste vengono fortemente amplificate e avviene un trasferimento di energia.

“Questa intuizione ci consente di considerare i raggi cosmici come una radiazione e non singole particelle in questo contesto, proprio come originariamente creduto da Victor Hess”, ha osservato il professor Christoph Pfrommer, capo della sezione di cosmologia e astrofisica delle alte energie presso l’AIP. 

Una buona analogia per questo comportamento è quella delle singole molecole d’acqua che formano collettivamente un’onda che si infrange sulla riva. “Questo progresso è avvenuto solo considerando scale più piccole che in precedenza erano state trascurate e che mettono in discussione l’uso di teorie idrodinamiche efficaci nello studio dei processi del plasma”, ha spiegato il dottor Mohamad Shalaby.

Distribuzione della quantità di moto dei protoni (linee tratteggiate) e degli elettroni (linee continue). Viene mostrato l'emergere della coda di elettroni ad alta energia in caso di shock con movimento più lento. Questo è il risultato delle interazioni con le onde elettromagnetiche esercitate dall'instabilità del plasma appena scoperta (rosso), che sono assenti per uno shock più veloce (nero). Poiché solo gli elettroni ad alta energia producono emissioni radio osservabili, ciò dimostra l’importanza di comprendere la fisica del processo di accelerazione. Credito: Shalaby/AIP
Distribuzione della quantità di moto dei protoni (linee tratteggiate) e degli elettroni (linee continue). Viene mostrato l’emergere della coda di elettroni ad alta energia in caso di shock con movimento più lento. Questo è il risultato delle interazioni con le onde elettromagnetiche esercitate dall’instabilità del plasma appena scoperta (rosso), che sono assenti per uno shock più veloce (nero). Poiché solo gli elettroni ad alta energia producono emissioni radio osservabili, ciò dimostra l’importanza di comprendere la fisica del processo di accelerazione. Credito: Shalaby/AIP

Implicazioni e applicazioni

Ci sono molte applicazioni di questa instabilità del plasma appena scoperta, inclusa una prima spiegazione di come gli elettroni del plasma interstellare termico possano essere accelerati ad alte energie nei resti di supernova.

“Questa instabilità del plasma appena scoperta rappresenta un passo avanti significativo nella nostra comprensione del processo di accelerazione e spiega finalmente perché questi resti di supernova brillano nei raggi radio e gamma”, ha riferito Mohamad Shalaby.

Inoltre, questa scoperta rivoluzionaria apre le porte a una comprensione più profonda dei processi fondamentali del trasporto dei raggi cosmici nelle galassie, che rappresenta il più grande mistero nella nostra comprensione dei processi che modellano le galassie durante la loro evoluzione cosmica.

Fonte: Journal of Plasma Physics

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