Une nouvelle instabilité du plasma met en lumière la nature des rayons cosmiques

Des scientifiques de l'Institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam (AIP) ont découvert une nouvelle instabilité du plasma qui promet de révolutionner notre compréhension de l'origine des rayons cosmiques et de leur impact 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 le prix Nobel. Il a effectué des vols en ballon à haute altitude pour constater que l'atmosphère terrestre n'est pas ionisée par la radioactivité du sol. Au lieu de cela, il a confirmé que l’origine de l’ionisation était extraterrestre. Par la suite, il a été déterminé que les « rayons » cosmiques étaient constitués de particules chargées provenant de l’espace et volant à une vitesse proche de celle de la lumière plutôt que celle du rayonnement. Cependant, le nom de « rayons cosmiques » a survécu à ces découvertes.

Dans la nouvelle étude, le Dr Mohamad Shalaby, scientifique de l'AIP et auteur principal de cette étude, et ses collaborateurs ont effectué des simulations numériques pour suivre les trajectoires de nombreuses particules de rayons cosmiques et étudier comment celles-ci interagissent avec le plasma environnant constitué d'électrons et protons. Le papier apparaît sur le serveur de pré-impression arXiv.

Lorsque les chercheurs ont étudié les rayons cosmiques volant 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, qui modifie leurs trajectoires sinueuses.

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 plutôt comme supportant une onde électromagnétique collective. Comme cette onde interagit avec les ondes fondamentales en arrière-plan, celles-ci sont fortement amplifiées et un transfert d’énergie a lieu.

“Cette idée nous permet de considérer les rayons cosmiques comme se comportant comme un rayonnement et non comme des particules individuelles dans ce contexte, tout comme Victor Hess le pensait à l'origine”, remarque le professeur Christoph Pfrommer, chef de la section Cosmologie et astrophysique des hautes énergies à l'AIP. . Une bonne analogie pour ce comportement est que des molécules d’eau individuelles forment collectivement une vague qui se brise sur le rivage.

“Ces progrès n'ont été possibles qu'en considérant des échelles plus petites qui ont été négligées auparavant et qui remettent en question l'utilisation de théories hydrodynamiques efficaces dans l'étude des processus plasmatiques”, explique le Dr Mohamad Shalaby.

Il existe de nombreuses applications à cette instabilité du plasma récemment découverte, notamment une première explication de la manière dont les électrons du plasma thermique interstellaire peuvent être accélérés à des énergies élevées au niveau des restes de supernova.

“Cette instabilité du plasma nouvellement découverte représente un progrès significatif dans notre compréhension du processus d'accélération et explique enfin pourquoi ces restes de supernova brillent dans les rayons radio et gamma”, rapporte Mohamad Shalaby. De plus, cette découverte révolutionnaire ouvre la porte à une compréhension plus approfondie des processus fondamentaux du transport 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.