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Como a instabilidade do plasma muda nossa visão do universo

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Como a instabilidade do plasma muda nossa visão do universo

Os cientistas descobriram um novo estado de instabilidade do plasma, revolucionando a nossa compreensão dos raios cósmicos. Esta descoberta revela que os raios cósmicos geram ondas eletromagnéticas no plasma, afetando os seus caminhos. Este comportamento coletivo dos raios cósmicos, semelhante às ondas formadas pelas moléculas de água, desafia teorias anteriores e promete fornecer informações sobre o transporte dos raios cósmicos nas galáxias e o seu papel na evolução das galáxias. Crédito: SciTechDaily.com

Cientistas do Instituto Leibniz de Astrofísica Potsdam (AIP) descobriram um novo objeto plasma Esta instabilidade irá revolucionar a nossa compreensão da origem dos raios cósmicos e da sua influência dinâmica nas galáxias.

No início do século passado, Victor Hess descobriu um novo fenômeno chamado raios cósmicos, que mais tarde lhe rendeu o Prêmio Nobel. Ele realizou voos de balão em grandes altitudes para descobrir que a atmosfera da Terra não estava ionizada devido à radioatividade da Terra. Em vez disso, ele confirmou que a origem da ionização era extraterrestre. Mais tarde, foi determinado que os “raios” cósmicos consistem em partículas carregadas do espaço exterior viajando a uma velocidade próxima da velocidade da luz, em vez de… radiação. No entanto, o nome “raios cósmicos” ficou após esses resultados.

Desenvolvimentos recentes na pesquisa de raios cósmicos

No novo estudo, o Dr. Mohamed Shalabi, cientista do Instituto AIP e principal autor deste estudo, e seus colaboradores realizaram simulações numéricas para rastrear os caminhos de várias partículas de raios cósmicos e estudar como elas interagem com o plasma circundante composto de elétrons e prótons.

Simulação do contrafluxo de raios cósmicos em um fundo de plasma e excitação da instabilidade do plasma.

Simulação de raios cósmicos contrafluindo em um fundo de plasma e desencadeando instabilidade do plasma. Aqui é mostrada a distribuição das partículas de fundo que respondem aos raios cósmicos que fluem no espaço de fase, que abrange a posição das partículas (eixo horizontal) e a velocidade (eixo vertical). A percepção de cores de densidades numéricas e aberturas de espaço de fase são manifestações da natureza altamente dinâmica da instabilidade que se dissipa em movimentos aleatórios. Fonte da imagem: Shalabi/AIP

Quando os pesquisadores estudaram os raios cósmicos viajando de um lado a outro da simulação, eles descobriram um novo fenômeno que excita ondas eletromagnéticas no plasma de fundo. Essas ondas exercem uma força sobre os raios cósmicos, mudando seus caminhos sinuosos.

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Compreendendo os raios cósmicos como fenômenos coletivos

Mais importante ainda, este novo fenómeno pode ser melhor compreendido se considerarmos que os raios cósmicos não actuam como partículas individuais, mas sim suportam uma onda electromagnética colectiva. Quando esta onda interage com ondas de fundo fundamentais, ela é fortemente amplificada e ocorre transferência de energia.

“Esta visão permite-nos considerar os raios cósmicos como se comportando como radiação e não como partículas individuais neste contexto, tal como Viktor Hess pensava originalmente,” diz o Professor Christoph Pfromer, Chefe do Departamento de Cosmologia e Astrofísica de Altas Energias da AIP. .

Distribuição da força motriz de prótons e elétrons

Distribuição de momento de prótons (linhas tracejadas) e elétrons (linhas sólidas). Aqui é mostrado o aparecimento de uma cauda de elétrons de alta energia em um choque mais lento. Isto é resultado de interações com ondas eletromagnéticas geradas pelas instabilidades plasmáticas recentemente descobertas (vermelho), que estão ausentes no caso do choque mais rápido (preto). Como apenas os elétrons de alta energia produzem emissões de rádio observáveis, isso destaca a importância de compreender a física do processo de aceleração. Fonte da imagem: Shalabi/AIP

Uma boa analogia para este comportamento é que as moléculas individuais de água formam coletivamente uma onda que quebra na costa. “Este progresso só foi alcançado considerando escalas menores anteriormente negligenciadas que colocam em questão o uso de teorias hidrodinâmicas eficazes no estudo de processos de plasma”, explica o Dr.

Efeitos e aplicações

Existem muitas aplicações para as instabilidades do plasma recentemente descobertas, incluindo a primeira explicação de como os electrões do plasma térmico interestelar são acelerados para altas energias em remanescentes de supernovas.

“A recém-descoberta instabilidade do plasma representa um grande salto na nossa compreensão do processo de aceleração e finalmente explica porque é que os remanescentes de supernovas brilham no rádio e nos raios gama”, diz Mohamed Shalabi.

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Além disso, esta descoberta pioneira abre a porta para uma compreensão mais profunda dos processos fundamentais de transmissão de raios cósmicos nas galáxias, o que representa o maior mistério na nossa compreensão dos processos que moldam as galáxias durante a sua evolução cósmica.

Referências:

“Decifrando a base física da instabilidade de mesoescala” por Mohamed Shalabi, Timon Thomas, Christoph Pfromer, Reuven Lemmers e Virginia Breschi, 12 de dezembro de 2023, Jornal de Física do Plasma.
doi: 10.1017/S0022377823001289

“Mecanismo eficaz de aceleração de elétrons em choques paralelos não relativísticos” por Mohamed Shalabi, Reuven Lemmers, Timon Thomas, Christoph Pfromer, 4 de maio de 2022, Astrofísica > Fenômenos astrofísicos de alta energia.
arXiv:2202.05288

“Uma nova instabilidade causada por raios cósmicos” por Mohamed Shalabi, Timon Thomas e Christoph Pfromer, 24 de fevereiro de 2021, o Jornal Astrofísico.
doi: 10.3847/1538-4357/abd02d

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O lançamento inaugural do Ariane 6 está previsto para a primeira quinzena de julho

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O lançamento inaugural do Ariane 6 está previsto para a primeira quinzena de julho

WASHINGTON – O primeiro lançamento do foguete Ariane 6 está previsto para ocorrer na primeira quinzena de julho, quando o veículo tomar forma no local de lançamento na Guiana Francesa.

A Agência Espacial Europeia anunciou em 21 de maio que a equipe conjunta que trabalha no Ariane 6, incluindo a ESA, o contratante principal Ariane Group, o provedor de serviços de lançamento Arianespace e a agência espacial francesa CNES, espera que o lançamento inaugural do Ariane 6 ocorra nas primeiras duas semanas. de 2017. 2019. Julho.

Isso está no meio do prazo anunciado anteriormente pela ESA, entre meados de junho e o final de julho. A Agência Espacial Europeia disse que uma data específica, embora provisória, para o lançamento será anunciada no show aéreo ILA em Berlim, agendado para 5 a 9 de junho.

A atualização foi a primeira revisão da data de lançamento desde novembro de 2023, quando a ESA anunciou uma janela de meados de junho ao final de julho. As autoridades disseram anteriormente que forneceriam uma atualização sobre o lançamento após concluir uma revisão de qualificação programada para terminar no final de abril.

Na sua última atualização, a ESA afirmou que concluiu a revisão de qualificação em 29 de abril. Os trabalhadores também começaram a empilhar o foguete, anexando seus dois propulsores sólidos ao estágio central. O estágio superior e as cargas úteis serão instalados em junho, antes de um teste de abastecimento e contagem regressiva de treinamento, denominado ensaio molhado, agendado para 18 de junho.

Embora a Agência Espacial Europeia ainda não tenha fornecido uma atualização sobre as datas de lançamento do Ariane 6, executivos de dois grandes fornecedores disseram acreditar que o lançamento ocorreu dentro do cronograma. “Parece-me que estamos indo na direção certa para um voo em julho”, disse o CEO da Aveo, Giulio Ranzo, sobre o Ariane 6 em uma teleconferência de resultados em 9 de maio. A Avio produz os motores de foguete sólidos usados ​​nos propulsores Ariane 6.

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“Estamos muito confiantes de que o Ariane 6 será lançado dentro do período de lançamento conhecido, de meados de junho até o final de julho”, disse o CEO da OHB, Marco Fox, na teleconferência de resultados de sua empresa em 8 de maio. “Acho que os preparativos estão indo muito bem.”

Joseph Aschbacher, Diretor Geral da Agência Espacial Europeia, descreveu o primeiro lançamento do veículo Ariane 6 como “o grande evento do ano” para a Europa no domínio do espaço durante a sessão da trigésima nona sessão da conferência.sim Simpósio Espacial em abril. Um voo bem-sucedido do tão esperado Ariane 6 ajudaria a aliviar a “crise de lançamento” que forçou a Agência Espacial Europeia e a Comissão Europeia a comprar muitos lançamentos do Falcon 9 da SpaceX. Isto inclui o lançamento agendado para 28 de maio do EarthCARE, uma missão conjunta de ciências da Terra entre a ESA e a JAXA, a bordo de uma aeronave Falcon 9 da Base da Força Espacial de Vandenberg, na Califórnia.

Mas no Simpósio Espacial, Aschbacher estabeleceu expectativas para aquele primeiro voo. “Estatisticamente, há 47% de probabilidade de que o primeiro voo não seja bem-sucedido ou não corra exatamente como planejado”, disse ele, citando um histórico de primeiros lançamentos de novos veículos de lançamento de grande porte. “Faremos tudo o que pudermos para que seja uma viagem bem-sucedida, mas acho que é algo que devemos levar em consideração.”

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O Telescópio Espacial James Webb pode ter resolvido o mistério do planeta inchado. Veja como

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O Telescópio Espacial James Webb pode ter resolvido o mistério do planeta inchado.  Veja como

Um fornecimento surpreendentemente baixo de metano pode explicar como um planeta em torno de uma estrela próxima ficou estranhamente inchado, de acordo com novas observações da Agência Espacial Europeia. Telescópio Espacial James Webb (JWST). Os astrónomos dizem que os resultados mostram que as atmosferas planetárias podem aumentar de volume significativamente sem recorrer a teorias esotéricas sobre a formação planetária.

“Os dados de Webb dizem-nos que planetas como WASP-107 b não tiveram de se formar de uma forma estranha, com um núcleo muito pequeno e uma atmosfera gasosa massiva.” Michael LaneUm cientista de exoplanetas da Arizona State University disse em A declaração. “Em vez disso, poderíamos pegar algo mais parecido Netuno“Com muita rocha e pouco gás, basta aumentar a temperatura e depois aumentar e parece a mesma coisa.”

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Quebrando a velocidade da luz: o mistério do túnel quântico

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Quebrando a velocidade da luz: o mistério do túnel quântico

O tunelamento quântico permite que as partículas contornem as barreiras de energia. Foi proposta uma nova maneira de medir o tempo que as partículas levam para tunelar, o que pode desafiar afirmações anteriores sobre velocidades de tunelamento ultraleves. Este método envolve o uso de átomos como relógios para detectar diferenças horárias mínimas. Crédito: SciTechDaily.com

Num fenômeno surpreendente da física quântica conhecido como tunelamento, as partículas parecem se mover mais rápido que a velocidade da luz. No entanto, os físicos de Darmstadt acreditam que o tempo gasto pelas partículas no túnel foi medido incorretamente até agora. Eles propõem uma nova maneira de parar a velocidade das partículas quânticas.

Na física clássica existem leis estritas que não podem ser contornadas. Por exemplo, se uma bola rolante não tiver energia suficiente, ela não será capaz de subir a colina; Em vez disso, irá cair antes de atingir o pico. Na física quântica, este princípio não é totalmente estrito. Aqui, uma partícula pode atravessar uma barreira, mesmo que não tenha energia suficiente para atravessá-la. Ele se comporta como se estivesse deslizando por um túnel, razão pela qual esse fenômeno também é conhecido como “tunelamento quântico”. Longe de ser apenas uma mágica teórica, esse fenômeno tem aplicações práticas, como na operação de drives de memória flash.

Tunelamento quântico e relatividade

No passado, experiências com partículas mais rápidas que a luz atraíram alguma atenção. Afinal, a teoria da relatividade de Einstein proíbe velocidades mais rápidas que a da luz. A questão é, portanto, se o tempo necessário para o tunelamento foi devidamente “pausado” nesses experimentos. Os físicos Patrick Schach e Eno Giese, da Universidade de Darmstadt, seguem uma nova abordagem para determinar o “tempo” de uma partícula em túnel. Eles propuseram agora uma nova maneira de medir esse tempo. Em seu experimento, eles mediram isso de uma forma que acreditam ser mais adequada para a natureza quântica do tunelamento. Eles publicaram seu projeto de experimento na famosa revista Avanço da ciência.

Dualidade onda-partícula e tunelamento quântico

De acordo com a física quântica, pequenas partículas como átomos ou partículas de luz têm uma natureza dupla.

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Dependendo do experimento, eles se comportam como partículas ou como ondas. O tunelamento quântico destaca a natureza ondulatória das partículas. Um “pacote de ondas” rola em direção à barreira, semelhante ao fluxo de água. A altura da onda indica a probabilidade de uma partícula se materializar naquele local se sua posição fosse medida. Se um pacote de ondas atingir uma barreira de energia, parte dele será refletido. Porém, uma pequena porção penetra na barreira e existe uma pequena possibilidade de que a partícula apareça do outro lado da barreira.

Reavaliação da velocidade do túnel

Experimentos anteriores observaram que uma partícula de luz percorreu uma distância maior após o tunelamento do que uma partícula que tinha um caminho livre. Portanto, teria viajado mais rápido que a luz. No entanto, os pesquisadores tiveram que determinar a localização da partícula depois que ela passou. Eles escolheram o ponto mais alto do pacote de ondas.

“Mas a partícula não segue uma trajetória no sentido clássico”, objeta Eno Giese. É impossível determinar exatamente onde uma partícula estava em um determinado momento. Isto torna difícil fazer declarações sobre o tempo necessário para ir de A a B.

Uma nova abordagem para medir o tempo de tunelamento

Por outro lado, Shash Brief é guiado por uma citação de Albert Einstein: “Tempo é o que você lê no relógio”. Eles propõem usar a própria partícula do túnel como um relógio. A segunda partícula não gasta atua como referência. Ao comparar esses dois relógios naturais, é possível determinar se o tempo passa mais devagar, mais rápido ou na mesma velocidade durante o tunelamento quântico.

A natureza ondulatória das partículas facilita esta abordagem. A oscilação das ondas é como a oscilação de um relógio. Especificamente, Schach e Giese propõem o uso de átomos como relógios. Os níveis de energia dos átomos oscilam em certas frequências. Depois de abordar A milho Com um pulso de laser, seus níveis inicialmente oscilam de forma síncrona – o relógio atômico é iniciado. Durante o túnel, o ritmo muda ligeiramente. Um segundo pulso de laser faz com que as duas ondas internas do átomo se sobreponham. A detecção de interferência torna possível medir a distância entre duas ondas de nível de energia, o que por sua vez é uma medição precisa do tempo decorrido.

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Já o segundo átomo, que não é tunelado, serve de referência para medir a diferença de tempo entre cavar túneis e não cavar túneis. Os cálculos dos físicos sugerem que a partícula do túnel aparecerá um pouco mais tarde. “O relógio que foi escavado no túnel é um pouco mais antigo que o outro relógio”, diz Patrick Schach. Isto parece contradizer experiências que atribuíram a velocidade da luz à construção de túneis.

O desafio de implementar o experimento

Em princípio, o teste poderia ser feito usando a tecnologia atual, diz Schach, mas representa um enorme desafio para os experimentos. Isso ocorre porque a diferença de tempo a ser medida é de apenas cerca de 10-26 Segundos – um tempo muito curto. O físico explica que ajuda usar nuvens de átomos como relógios em vez de átomos individuais. Também é possível amplificar o efeito, por exemplo, aumentando artificialmente as frequências do clock.

“Atualmente estamos discutindo essa ideia com nossos colegas experimentais e em contato com nossos parceiros de projeto”, acrescenta Gizzi. É muito provável que a equipe decida em breve realizar este experimento emocionante.

Referência: “Teoria unificada dos tempos dos túneis promovida pelos relógios Ramsey” por Patrick Schach e Eno Giese, 19 de abril de 2024, Avanço da ciência.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078

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