Kosmische Strahlen sind geladene subatomare Teilchen, die sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen und kontinuierlich auf die Erde regnen. Diese Teilchen sind relativistisch, wie es in Albert Einsteins spezieller Relativitätstheorie definiert ist, und sie schaffen es ein Magnetfeld zu erzeugen, das die Art und Weise ihrer Bewegungen innerhalb der Galaxie steuert.
Gas innerhalb des interstellaren Mediums besteht aus Atomen, hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff, was bedeutet, dass seine Protonen und Elektronen getrennt sind. Kosmische Strahlen regen die Hintergrundprotonen an, während sie sich innerhalb dieses Gases bewegen. Das ruft eine kollektive Plasmawellenbewegung hervor, die den Wellen auf einem See gleicht, wenn man einen Stein hineinwirft.
Die große Frage ist, wie kosmische Strahlen ihren Impuls an das Hintergrundplasma abgeben, aus dem das interstellare Medium besteht. im Rahmen einer Studie im Journal Physics of Plasmas von AIP Publishing betrachten Plasma-Astrophysiker aus Frankreich die kürzlichen Entwicklungen auf dem Fachgebiet der Untersuchung von Strömungsinstabilitäten aufgrund kosmischer Strahlen in Plasma im Weltraum neu.
“Kosmische Strahlen könnten uns helfen, Aspekte unserer Galaxie von den kleinsten Größenordnungen (beispielsweise protoplanetarische Scheiben und Planeten) bis hin zu den größten Skalen (etwa galaktische Winde) zu erklären”, sagte Alexandre Marcowith von der University of Montpellier.
Bis jetzt wurden kosmische Strahlen als etwas außerhalb der “Ökologie” innerhalb der Galaxie angesehen. Aber weil die Instabilität gut funktioniert und in der Nähe von Quellen kosmischer Strahlen (etwa Supernova-Überresten und Pulsaren) stärker ist als erwartet, haben diese Teilchen wahrscheinlich einen viel stärkeren Einfluss auf die galaktische Dynamik und den Sternentstehungszyklus als bislang angenommen.
“Das ist keine wirkliche Überraschung, sondern eher eine Paradigmenverschiebung”, sagte Marcowith. “In der Wissenschaft und Astrophysik ist alles miteinander verknüpft.”
Supernova-Schockwellen expandieren im interstellaren und intergalaktischen Medium und können erwiesenermaßen kosmische Strahlen beschleunigen. Und weil kosmische Strahlen wegströmen, könnten sie zur Erzeugung der anfänglichen Magnetfelder beigetragen haben, die notwendig sind, um die tatsächlichen um uns herum beobachteten Magnetfeldstärken zu erklären”, sagte Marcowith.
Nachdem die Amplitude einer Plasmawelle mit der Zeit kleiner geworden ist, heizt sie das Gas des Plasmas auf. In der Zwischenzeit hilft sie bei der Streuung kosmischer Strahlen. Dafür brauchen die Wellen Wellenlängen in derselben Größenordnung wie der Gyroradius der kosmischen Strahlen. Kosmische Strahlen folgen einer spiralförmigen Bewegung um ein Magnetfeld und deren Radius wird als Larmor-Radius bezeichnet.
“Man stelle sich vor, man fährt ein Auto auf eine kurvigen Straße. Wenn die Wellenlänge in derselben Größenordnung liegt wie die Reifengröße, wird das Fahren schwer sein”, sagte Marcowith.
Kosmische Strahlen werden durch diese Wellen stark gestreut und die Hauptinstabilität am Ursprung dieser Störungen (Wellen) ist die Strömungsinstabilität, die mit der kollektiven Strömungsbewegung der kosmischen Strahlen zusammenhängt.
“Es gibt in der Astrophysik mehrere Forschungsgebiete, die mit ähnlichen numerischen Methoden arbeiten, um den Einfluss dieser Strömungsinstabilität innerhalb verschiedener astrophysikalischer Kontexte wie Supernova-Überresten und Jets zu untersuchen”, sagte Marcowith. “Diese Instabilität und die von ihr erzeugten Turbulenzen könnten die Quelle vieler astrophysikalischer Phänomene sein, und es zeigt, wie kosmische Strahlen eine Rolle im großen Zirkus unserer Milchstraßen-Galaxie spielen.”
(THK)
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