Исследователи из Колумбийского университета предполагают, что излучение, которое испускают самые плотные объекты в нашей вселенной, возникает в результате взаимодействия турбулентностей и пересоединения сверхсильных магнитных полей.
На протяжении десятилетий учёные размышляли о происхождении электромагнитного излучения, испускаемого теми областями неба, в которых находятся чёрные дыры и нейтронные звёзды, то есть самые загадочные объекты во вселенной.
Астрофизики считают, что это высокоэнергетическое излучение, которое заставляет нейтронные звёзды и чёрные дыры ярко светить, генерируется электронами, которые движутся почти со скоростью света. Но сам процесс, который ускоряет эти частицы, до сих пор остаётся загадкой.
Теперь же, исследователи из Колумбийского университета представили новое объяснение физики, лежащей в основе ускорения этих энергетически сильных частиц.
В исследовании, опубликованном в декабрьском номере Astrophysical Journal, астрофизики Лука Комиссо и Лоренцо Сирони использовали симуляции на мощных суперкомпьютерах для расчёта и понимания механизмов, ускоряющих эти частицы. Они пришли к выводу, что возбуждение частиц является результатом взаимодействия между хаотическим движением и пересоединения линий сверхсильных магнитных полей.
Быстро вращающаяся нейтронная звезда, являющаяся центром Крабовидной туманности, является динамо-машиной, ответственной за внутреннее голубоватое свечение туманности. Синий свет исходит от электронов, вращающихся почти со скоростью света вокруг линий магнитного поля нейтронной звезды. Нейтронная звезда – сверхплотное ядро взорвавшейся звезды, подобно маяку испускает двойные пучки излучения, которые пульсируют с частотой 30 раз в секунду. Источник: NASA, ESA, J. Hester (Arizona State University)
“Турбулентность и магнитное пересоединение (процесс, при котором линии магнитного поля разрываются и быстро соединяются), похоже, находятся в сговоре друг с другом и ускоряют частицы, разгоняя их до скоростей, приближающихся к скорости света. Область, в которой находятся чёрные дыры и нейтронные звёзды, пронизана чрезвычайно горячим газом из заряженных частиц, а линии магнитного поля, притянутые хаотическими движениями газа, приводят к мощному магнитному пересоединения. Именно благодаря электрическому полю, вызванному пересоединением и турбулентностью, частицы ускоряются до самых экстремальных энергий, гораздо более высоких, чем в самых мощных ускорителях на Земле, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе”, – Лука Комиссо, постдок и исследователь в Колумбийском университете, первый автор работы.
При изучении турбулентного газа учёные не могут точно предсказать его хаотическое движение. Работа с математическими моделями турбулентности очень сложна, поэтому она является одной из семи “математических проблем тысячелетия”. Чтобы решить эту задачу с астрофизической точки зрения, Комиссо и Сирони разработали большую суперкомпьютерную модель, одну из крупнейших в мире, когда-либо разработанных в этой области исследований. И всё это было необходимо для решения уравнений, описывающих турбулентность в газе заряженных частиц.
“Мы использовали самый точный метод – метод частиц в ячейках – для вычисления траекторий сотен миллиардов заряженных частиц, которыми самосогласованно управляют электромагнитные поля. И именно эти электромагнитные поля говорят им, как двигаться”.
Сирони сказал, что ключевым моментом исследования было определение роли магнитного пересоединения в турбулентной среде. Моделирование показало, что этот процесс является главным механизмом, выбирающим частицы, которые впоследствии будут ускорены турбулентными магнитными полями. Исследователи также показали, что частицы получают большую часть своей энергии, отскакивая случайным образом с чрезвычайно высокой скоростью. Когда магнитное поле достаточно сильно, этот механизм ускорения очень быстр. Но сильные поля также заставляют частицы двигаться по криволинейной траектории, и тем самым заставляя их испускать электромагнитное излучение.
”Это именно то излучение, которое испускается вокруг чёрных дыр и нейтронных звёзд и заставляет их светиться”.
По словам исследователей, конечная цель состоит в том, чтобы узнать, что на самом деле происходит в экстремальной среде, окружающей чёрные дыры и нейтронные звёзды. Это может пролить свет на фундаментальные физические явления и улучшить наше понимание того, как функционирует наша вселенная.
Учёные планируют подтвердить свою работу ещё точнее, сравнив выдвинутые предположения с электромагнитным спектром, испускаемым Крабовидной туманностью. Это объект выбран из-за того, что является наиболее интенсивно изученным ярким остатком сверхновой звезды, взорвавшейся, вероятно, в 1054 году.
“Мы обнаружили важную связь между турбулентностью и магнитным пересоединением в плане ускорения частиц, но перед нами всё ещё много работы. Достижения в этой области исследований редко являются вкладом горстки учёных, но являются результатом огромных совместных усилий”.
По информации Колумбийского университета.
Источник: