Un nuevo rasgo del plasma ilustra la naturaleza de los rayos cósmicos

Una nueva inestabilidad del plasma descubierta por científicos en Alemania promete revolucionar nuestra comprensión del origen de los rayos cósmicos y su impacto dinámico en las galaxias.

A principios del siglo pasado, el físico austríaco 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 terrestre 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" cósmicos consisten en partículas cargadas provenientes del espacio exterior que vuelan a cerca de la velocidad de la luz en vez de radiación. Sin embargo, el nombre "rayos cósmicos" sobrevivió a estos hallazgos.

En el nuevo estudio, el Dr. Mohamad Shalaby, del Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam (AIP) y autor principal de este estudio, y sus colaboradores han realizado simulaciones numéricas para seguir las trayectorias de muchas partículas de rayos cósmicos y estudiar cómo interactúan con el plasma circundante, compuesto por electrones y protones. El papel aparece en el servidor de preimpresión arXiv.

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 inicialmente Victor Hess", comenta en un comunicado el profesor Christoph Pfrommer, jefe de la sección de Cosmología y Astrofísica de Altas Energías de la 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 considerando escalas más pequeñas que hasta ahora se habían pasado por alto y que cuestionan el uso de teorías hidrodinámicas efectivas en el estudio de 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.

"Esta inestabilidad del plasma recientemente descubierta representa un avance significativo en nuestra comprensión del proceso de aceleración y finalmente explica por qué estos restos de supernova brillan en los rayos de radio y gamma", informa Mohamad Shalaby. 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.