Magnetiska fältlinjer trasslade som spagetti i en skål kan ligga bakom de mest kraftfulla partikelacceleratorerna i universum. Det är resultatet av en ny beräkningsstudie av forskare från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, som simulerade partikelutsläpp från avlägsna aktiva galaxer.

I kärnan av dessa aktiva galaxer, supermassiva svarta hål avfyrar höghastighetsstrålar av plasma—en het, joniserad gas – som skjuter miljontals ljusår ut i rymden. Denna process kan vara källan till kosmiska strålar med energier tiotals miljoner gånger högre än energin som släpps lös i den mest kraftfulla konstgjorda partikelacceleratorn.

"Mekanismen som skapar dessa extrema partikelenergier är inte känd ännu, " sa SLAC-personalforskaren Frederico Fiúza, huvudutredare för en ny studie som kommer att publiceras i morgon i Fysiska granskningsbrev . "Men baserat på våra simuleringar, vi kan föreslå en ny mekanism som potentiellt kan förklara hur dessa kosmiska partikelacceleratorer fungerar."

Resultaten kan också få konsekvenser för plasma- och kärnfusionsforskning och utvecklingen av nya högenergipartikelacceleratorer.

Simulering av kosmiska jetstrålar Forskare har länge varit fascinerade av de våldsamma processer som ökar energin hos kosmiska partiklar. Till exempel, de har samlat bevis på att chockvågor från kraftfulla stjärnexplosioner kan få partiklar i fart och skicka dem över universum.

Forskare har också föreslagit att den huvudsakliga drivkraften för kosmiska plasmastrålar kan vara magnetisk energi som frigörs när magnetiska fältlinjer i plasma bryts och återansluts på ett annat sätt - en process som kallas "magnetisk återkoppling".

Dock, den nya studien föreslår en annan mekanism som är knuten till störningen av det spiralformade magnetfältet som genereras av det supermassiva svarta hålet som snurrar i mitten av aktiva galaxer.

"Vi visste att dessa fält kan bli instabila, " sa huvudförfattaren Paulo Alves, en forskarassistent som arbetar med Fiúza. "Men exakt vad händer när magnetfälten blir förvrängda, och kan denna process förklara hur partiklar får enorm energi i dessa jetstrålar? Det var vad vi ville ta reda på i vår studie."

Att göra så, forskarna simulerade rörelser av upp till 550 miljarder partiklar – en miniatyrversion av en kosmisk jetstråle – på Mira-superdatorn vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) vid DOE:s Argonne National Laboratory. Sedan, de skalade upp sina resultat till kosmiska dimensioner och jämförde dem med astrofysiska observationer.

Från trassliga fältlinjer till högenergipartiklar Simuleringarna visade att när det spiralformade magnetfältet är kraftigt förvrängt, magnetfältslinjerna blir mycket trassliga och ett stort elektriskt fält alstras inuti strålen. Detta arrangemang av elektriska och magnetiska fält kan, verkligen, accelererar effektivt elektroner och protoner till extrema energier. Medan högenergielektroner strålar bort sin energi i form av röntgenstrålar och gammastrålar, protoner kan fly strålen ut i rymden och nå jordens atmosfär som kosmisk strålning.

"Vi ser att en stor del av den magnetiska energin som frigörs i processen går till högenergipartiklar, och accelerationsmekanismen kan förklara både den högenergistrålning som kommer från aktiva galaxer och de högsta observerade kosmiska strålenergierna, sa Alves.

Roger Blandford, en expert i svarta håls fysik och tidigare chef för SLAC/Stanford University Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), som inte var involverad i studien, sa, "Denna noggranna analys identifierar många överraskande detaljer om vad som händer under förhållanden som tros vara närvarande i avlägsna jetplan, och kan hjälpa till att förklara några anmärkningsvärda astrofysiska observationer."

Nästa, forskarna vill koppla deras arbete ännu fastare med faktiska observationer, till exempel genom att studera vad som gör att strålningen från kosmiska strålar varierar snabbt över tiden. De avser också att göra laboratorieforskning för att avgöra om samma mekanism som föreslagits i denna studie också kan orsaka störningar och partikelacceleration i fusionsplasma.