Sammenfiltrede magnetfelter driver kosmiske partikelacceleratorer

Magnetiske feltlinjer sammenfiltret som spaghetti i en skål kan være bag de kraftigste partikelacceleratorer i universet. Det er resultatet af en ny beregningsundersøgelse foretaget af forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, som simulerede partikelemissioner fra fjerne aktive galakser.

I kernen af ​​disse aktive galakser, supermassive sorte huller sender højhastighedsstråler af plasma – en varm, ioniseret gas - der skyder millioner af lysår ud i rummet. Denne proces kan være kilden til kosmiske stråler med energier, der er titusinder af gange højere end den energi, der udløses i den mest kraftfulde menneskeskabte partikelaccelerator.

"Mekanismen, der skaber disse ekstreme partikelenergier, er ikke kendt endnu, " sagde SLAC stabsforsker Frederico Fiúza, hovedefterforskeren af ​​en ny undersøgelse, der offentliggøres i morgen i Fysisk gennemgangsbreve . "Men baseret på vores simuleringer, vi er i stand til at foreslå en ny mekanisme, der potentielt kan forklare, hvordan disse kosmiske partikelacceleratorer virker."

Resultaterne kan også have konsekvenser for plasma- og kernefusionsforskning og udviklingen af ​​nye højenergipartikelacceleratorer.

Simulering af kosmiske jetfly Forskere har længe været fascineret af de voldsomme processer, der øger energien i kosmiske partikler. For eksempel, de har samlet beviser på, at chokbølger fra kraftige stjerneeksplosioner kunne bringe partikler op i hastighed og sende dem hen over universet.

Forskere har også foreslået, at den vigtigste drivkraft for kosmiske plasmastråler kunne være magnetisk energi, der frigives, når magnetiske feltlinjer i plasmaer brydes og genoprettes på en anden måde - en proces kendt som "magnetisk genforbindelse."

Imidlertid, den nye undersøgelse foreslår en anden mekanisme, der er knyttet til forstyrrelsen af ​​det spiralformede magnetfelt, der genereres af det supermassive sorte hul, der spinder i midten af ​​aktive galakser.

"Vi vidste, at disse marker kan blive ustabile, " sagde hovedforfatter Paulo Alves, en forskningsmedarbejder, der arbejder med Fiúza. "Men hvad sker der præcist, når magnetfelterne bliver forvrænget, og kunne denne proces forklare, hvordan partikler får enorm energi i disse jetfly? Det var det, vi ville finde ud af i vores undersøgelse."

For at gøre det, forskerne simulerede bevægelserne af op til 550 milliarder partikler - en miniatureversion af en kosmisk jetstråle - på Mira-supercomputeren ved Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) ved DOE's Argonne National Laboratory. Derefter, de skalerede deres resultater op til kosmiske dimensioner og sammenlignede dem med astrofysiske observationer.

Fra sammenfiltrede feltlinjer til højenergipartikler Simuleringerne viste, at når det spiralformede magnetfelt er stærkt forvrænget, magnetfeltlinjerne bliver meget sammenfiltrede, og der produceres et stort elektrisk felt inde i strålen. Dette arrangement af elektriske og magnetiske felter kan, Ja, effektivt accelerere elektroner og protoner til ekstreme energier. Mens højenergielektroner udstråler deres energi i form af røntgen- og gammastråler, protoner kan undslippe strålen ud i rummet og nå jordens atmosfære som kosmisk stråling.

"Vi ser, at en stor del af den magnetiske energi, der frigives i processen, går ind i højenergipartikler, og accelerationsmekanismen kan forklare både den højenergistråling, der kommer fra aktive galakser, og de højeste observerede kosmiske stråleenergier, " sagde Alves.

Roger Blandford, en ekspert i sorte huls fysik og tidligere direktør for SLAC/Stanford University Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), som ikke var involveret i undersøgelsen, sagde, "Denne omhyggelige analyse identificerer mange overraskende detaljer om, hvad der sker under forhold, der menes at være til stede i fjerne jetfly, og kan hjælpe med at forklare nogle bemærkelsesværdige astrofysiske observationer."

Næste, forskerne ønsker at forbinde deres arbejde endnu mere fast med faktiske observationer, for eksempel ved at studere, hvad der gør, at strålingen fra kosmiske stråler varierer hurtigt over tid. De har også til hensigt at lave laboratorieforskning for at afgøre, om den samme mekanisme foreslået i denne undersøgelse også kan forårsage forstyrrelser og partikelacceleration i fusionsplasmaer.