Här, en massiv superdatorsimulering visar de starka partikeldensitetsfluktuationerna som uppstår i de extremt turbulenta miljöer som är värd för svarta hål och neutronstjärnor. Mörkblå regioner är regioner med låg partikeldensitet, medan gula områden är starkt övertäta områden. Partiklar accelereras till extremt höga hastigheter på grund av växelverkan med kraftiga turbulensfluktuationer i denna miljö. Kredit:Bild från publicerad studie
I årtionden, Forskare har spekulerat om ursprunget till den elektromagnetiska strålningen som sänds ut från himmelska områden som är värd för svarta hål och neutronstjärnor - de mest mystiska objekten i universum.
Astrofysiker tror att denna högenergistrålning – som får neutronstjärnor och svarta hål att lysa klart – genereras av elektroner som rör sig med nästan ljusets hastighet, men processen som accelererar dessa partiklar har förblivit ett mysterium.
Nu, forskare vid Columbia University har presenterat en ny förklaring till fysiken som ligger bakom accelerationen av dessa energirika partiklar.
I en studie publicerad i decembernumret av The Astrophysical Journal , Astrofysikerna Luca Comiso och Lorenzo Sironi använde massiva superdatorsimuleringar för att beräkna mekanismerna som accelererar dessa partiklar. De drog slutsatsen att deras energitillförsel är ett resultat av interaktionen mellan kaotisk rörelse och återkoppling av superstarka magnetfält.
"Turbulens och magnetisk återkoppling - en process där magnetfältslinjer rivs och snabbt återansluts - konspirerar tillsammans för att accelerera partiklar, öka dem till hastigheter som närmar sig ljusets hastighet, sa Luca Comiso, en postdoktorand forskare vid Columbia och första författare till studien.
"Den region som är värd för svarta hål och neutronstjärnor är genomträngd av en extremt het gas av laddade partiklar, och magnetfältslinjerna som dras av gasens kaotiska rörelser, driva kraftfull magnetisk återkoppling, ", tillade han. "Det är tack vare det elektriska fältet som induceras av återkoppling och turbulens som partiklar accelereras till de mest extrema energierna, mycket högre än i de mest kraftfulla acceleratorerna på jorden, som Large Hadron Collider vid CERN."
När man studerar turbulent gas, forskare kan inte förutsäga kaotiska rörelser exakt. Att hantera turbulensens matematik är svårt, och det utgör ett av de sju matematiska "Millennium Prize"-problemen. För att tackla denna utmaning ur en astrofysisk synvinkel, Comisso och Sironi designade omfattande superdatorsimuleringar – bland världens största som någonsin gjorts inom detta forskningsområde – för att lösa ekvationerna som beskriver turbulensen i en gas av laddade partiklar.
Den snabbt snurrande neutronstjärnan inbäddad i mitten av Krabbnebulosan är dynamo som driver nebulosans kusliga inre blåaktiga glöd. Det blå ljuset kommer från elektroner som virvlar med nästan ljusets hastighet runt magnetfältslinjer från neutronstjärnan. Neutronstjärnan, den krossade ultratäta kärnan av den exploderade stjärnan, som en fyr, skjuter ut dubbla strålar av strålning som verkar pulsera 30 gånger i sekunden. Kredit:NASA, ESA, J. Hester (Arizona State University)
"Vi använde den mest exakta tekniken - partikel-i-cell-metoden - för att beräkna banorna för hundratals miljarder laddade partiklar som självständigt dikterar de elektromagnetiska fälten. Och det är detta elektromagnetiska fält som talar om för dem hur de ska röra sig, sa Sironi, biträdande professor i astronomi vid Columbia och studiens huvudutredare.
Sironi sa att den avgörande punkten i studien var att identifiera rollen som magnetisk återkoppling spelar i den turbulenta miljön. Simuleringarna visade att återkoppling är nyckelmekanismen som väljer ut de partiklar som därefter kommer att accelereras av de turbulenta magnetfälten upp till de högsta energierna.
Simuleringarna avslöjade också att partiklar fick det mesta av sin energi genom att studsa slumpmässigt i extremt hög hastighet från turbulensfluktuationerna. När magnetfältet är starkt, denna accelerationsmekanism är mycket snabb. Men de starka fälten tvingar också partiklarna att färdas i en krökt bana, och genom att göra det, de avger elektromagnetisk strålning.
"Detta är verkligen strålningen som sänds ut runt svarta hål och neutronstjärnor som får dem att lysa, ett fenomen vi kan observera på jorden, " sa Sironi.
Det ultimata målet, forskarna sa, är att få veta vad som verkligen händer i den extrema miljön som omger svarta hål och neutronstjärnor, som skulle kunna kasta ytterligare ljus över grundläggande fysik och förbättra vår förståelse för hur vårt universum fungerar.
De planerar att koppla ihop sitt arbete ännu fastare med observationer, genom att jämföra deras förutsägelser med det elektromagnetiska spektrum som sänds ut från krabbnebulosan, den mest intensivt studerade ljusa kvarlevan av en supernova (en stjärna som exploderade våldsamt år 1054). Detta kommer att vara ett strängt test för deras teoretiska förklaring.
"Vi kom på ett viktigt samband mellan turbulens och magnetisk återkoppling för accelererande partiklar, men det finns fortfarande så mycket arbete att göra, ", sa Comiso. "Framsteg inom detta forskningsfält är sällan bidraget från en handfull vetenskapsmän, men de är resultatet av ett stort samarbete."
Andra forskare, såsom Plasma Astrophysics-gruppen vid University of Colorado Boulder, ger viktiga bidrag i denna riktning, sa Comiso.
