En ny teori for, hvordan sorte huller og neutronstjerner skinner klart

I årtier, videnskabsmænd har spekuleret i oprindelsen af ​​den elektromagnetiske stråling, der udsendes fra himmelområder, der er vært for sorte huller og neutronstjerner - de mest mystiske objekter i universet.

Astrofysikere mener, at denne højenergistråling - som får neutronstjerner og sorte huller til at lyse klart - er genereret af elektroner, der bevæger sig med næsten lysets hastighed, men processen, der accelererer disse partikler, er forblevet et mysterium.

Nu, forskere ved Columbia University har præsenteret en ny forklaring på den fysik, der ligger til grund for accelerationen af ​​disse energiske partikler.

I en undersøgelse offentliggjort i december-udgaven af The Astrophysical Journal , astrofysikere Luca Comiso og Lorenzo Sironi brugte massive supercomputersimuleringer til at beregne de mekanismer, der accelererer disse partikler. De konkluderede, at deres energitilførsel er et resultat af samspillet mellem kaotisk bevægelse og genforbindelse af superstærke magnetfelter.

"Turbulens og magnetisk genforbindelse - en proces, hvor magnetfeltlinjer rives og hurtigt forbindes igen - konspirerer sammen for at accelerere partikler, booste dem til hastigheder, der nærmer sig lysets hastighed, " sagde Luca Comiso, en postdoc forsker ved Columbia og førsteforfatter på undersøgelsen.

"Den region, der er vært for sorte huller og neutronstjerner, er gennemtrængt af en ekstremt varm gas af ladede partikler, og de magnetiske feltlinjer, der trækkes af gassens kaotiske bevægelser, drive kraftig magnetisk genforbindelse, " tilføjede han. "Det er takket være det elektriske felt induceret af genforbindelse og turbulens, at partikler accelereres til de mest ekstreme energier, meget højere end i de kraftigste acceleratorer på Jorden, ligesom Large Hadron Collider ved CERN."

Når man studerer turbulent gas, videnskabsmænd kan ikke forudsige kaotisk bevægelse præcist. At håndtere matematikken om turbulens er svært, og det udgør et af de syv "millenniumpris" matematiske problemer. For at tackle denne udfordring fra et astrofysisk synspunkt, Comisso og Sironi designede omfattende supercomputersimuleringer - blandt verdens største, der nogensinde er udført inden for dette forskningsområde - for at løse de ligninger, der beskriver turbulensen i en gas af ladede partikler.

"Vi brugte den mest præcise teknik - partikel-i-celle-metoden - til at beregne banerne for hundreder af milliarder af ladede partikler, der selv-konsekvent dikterer de elektromagnetiske felter. Og det er dette elektromagnetiske felt, der fortæller dem, hvordan de skal bevæge sig, " sagde Sironi, assisterende professor i astronomi ved Columbia og undersøgelsens hovedforsker.

Sironi sagde, at det afgørende punkt i undersøgelsen var at identificere den rolle, magnetisk genforbindelse spiller i det turbulente miljø. Simuleringerne viste, at genforbindelse er nøglemekanismen, der udvælger de partikler, der efterfølgende vil blive accelereret af de turbulente magnetfelter op til de højeste energier.

Simuleringerne afslørede også, at partikler fik det meste af deres energi ved at hoppe tilfældigt ved en ekstrem høj hastighed af turbulensudsvingene. Når magnetfeltet er stærkt, denne accelerationsmekanisme er meget hurtig. Men de stærke felter tvinger også partiklerne til at rejse i en buet bane, og ved at gøre det, de udsender elektromagnetisk stråling.

"Dette er i sandhed den stråling, der udsendes omkring sorte huller og neutronstjerner, der får dem til at lyse, et fænomen vi kan observere på Jorden, " sagde Sironi.

Det ultimative mål, sagde forskerne, er at få at vide, hvad der virkelig foregår i det ekstreme miljø omkring sorte huller og neutronstjerner, som kunne kaste yderligere lys over grundlæggende fysik og forbedre vores forståelse af, hvordan vores univers fungerer.

De planlægger at forbinde deres arbejde endnu mere fast med observationer, ved at sammenligne deres forudsigelser med det elektromagnetiske spektrum, der udsendes fra Krabbetågen, den mest intenst studerede lysstærke rest af en supernova (en stjerne, der eksploderede voldsomt i år 1054). Dette vil være en streng test for deres teoretiske forklaring.

"Vi fandt ud af en vigtig forbindelse mellem turbulens og magnetisk genforbindelse til accelererende partikler, men der er stadig så meget arbejde at gøre, " sagde Comiso. "Fremskridt inden for dette forskningsfelt er sjældent bidraget fra en håndfuld videnskabsmænd, men de er resultatet af et stort samarbejde."

Andre forskere, såsom Plasma Astrophysics-gruppen ved University of Colorado Boulder, yder vigtige bidrag i denne retning, sagde Comiso.