Aquí, una simulación masiva de supercomputadora muestra las fuertes fluctuaciones de densidad de partículas que ocurren en los entornos extremadamente turbulentos que albergan agujeros negros y estrellas de neutrones. Las regiones azul oscuro son regiones de baja densidad de partículas, mientras que las regiones amarillas son regiones muy densas. Las partículas se aceleran a velocidades extremadamente altas debido a las interacciones con fuertes fluctuaciones de turbulencia en este entorno. Crédito:Imagen del estudio publicado
Por décadas, los científicos han especulado sobre el origen de la radiación electromagnética emitida por las regiones celestes que albergan agujeros negros y estrellas de neutrones, los objetos más misteriosos del universo.
Los astrofísicos creen que esta radiación de alta energía, que hace brillar las estrellas de neutrones y los agujeros negros, es generada por electrones que se mueven casi a la velocidad de la luz. pero el proceso que acelera estas partículas sigue siendo un misterio.
Ahora, Los investigadores de la Universidad de Columbia han presentado una nueva explicación de la física que subyace a la aceleración de estas partículas energéticas.
En un estudio publicado en la edición de diciembre de El diario astrofísico , Los astrofísicos Luca Comisso y Lorenzo Sironi emplearon simulaciones masivas de supercomputadoras para calcular los mecanismos que aceleran estas partículas. Concluyeron que su energización es el resultado de la interacción entre el movimiento caótico y la reconexión de campos magnéticos súper fuertes.
"La turbulencia y la reconexión magnética, un proceso en el que las líneas del campo magnético se rompen y se reconectan rápidamente, conspiran juntas para acelerar las partículas, impulsándolos a velocidades que se acercan a la velocidad de la luz, "dijo Luca Comisso, investigador científico postdoctoral en Columbia y primer autor del estudio.
"La región que alberga los agujeros negros y las estrellas de neutrones está impregnada de un gas extremadamente caliente de partículas cargadas, y las líneas del campo magnético arrastradas por los movimientos caóticos del gas, impulsar una reconexión magnética vigorosa, ", agregó." Es gracias al campo eléctrico inducido por la reconexión y la turbulencia que las partículas se aceleran a las energías más extremas, mucho más alto que en los aceleradores más potentes de la Tierra, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN ".
Al estudiar el gas turbulento, los científicos no pueden predecir el movimiento caótico con precisión. Tratar con las matemáticas de la turbulencia es difícil, y constituye uno de los siete problemas matemáticos del "Premio del Milenio". Para abordar este desafío desde un punto de vista astrofísico, Comisso y Sironi diseñaron extensas simulaciones de supercomputadoras, entre las más grandes del mundo jamás realizadas en esta área de investigación, para resolver las ecuaciones que describen la turbulencia en un gas de partículas cargadas.
La estrella de neutrones que gira rápidamente incrustada en el centro de la nebulosa del Cangrejo es la dínamo que alimenta el inquietante resplandor azulado interior de la nebulosa. La luz azul proviene de electrones que giran casi a la velocidad de la luz alrededor de las líneas del campo magnético de la estrella de neutrones. La estrella de neutrones el núcleo ultradenso aplastado de la estrella explotada, como un faro, expulsa rayos gemelos de radiación que parecen pulsar 30 veces por segundo. Crédito:NASA, ESA, J. Hester (Universidad Estatal de Arizona)
"Utilizamos la técnica más precisa, el método de partículas en la celda, para calcular las trayectorias de cientos de miles de millones de partículas cargadas que dictan de manera autoconsistente los campos electromagnéticos. Y es este campo electromagnético el que les dice cómo moverse, "dijo Sironi, profesor asistente de astronomía en Columbia e investigador principal del estudio.
Sironi dijo que el punto crucial del estudio era identificar el papel que juega la reconexión magnética dentro del entorno turbulento. Las simulaciones mostraron que la reconexión es el mecanismo clave que selecciona las partículas que serán posteriormente aceleradas por los campos magnéticos turbulentos hasta las energías más altas.
Las simulaciones también revelaron que las partículas obtuvieron la mayor parte de su energía rebotando aleatoriamente a una velocidad extremadamente alta en las fluctuaciones de la turbulencia. Cuando el campo magnético es fuerte, este mecanismo de aceleración es muy rápido. Pero los campos fuertes también obligan a las partículas a viajar en una trayectoria curva, y al hacerlo, emiten radiación electromagnética.
"Esta es de hecho la radiación emitida alrededor de los agujeros negros y las estrellas de neutrones que los hacen brillar, un fenómeno que podemos observar en la Tierra, "Dijo Sironi.
La última meta, los investigadores dijeron, es conocer lo que realmente está sucediendo en el entorno extremo que rodea a los agujeros negros y las estrellas de neutrones, lo que podría arrojar luz adicional sobre la física fundamental y mejorar nuestra comprensión de cómo funciona nuestro Universo.
Planean conectar su trabajo aún más firmemente con las observaciones, comparando sus predicciones con el espectro electromagnético emitido por la Nebulosa del Cangrejo, el remanente brillante más intensamente estudiado de una supernova (una estrella que explotó violentamente en el año 1054). Esta será una prueba rigurosa para su explicación teórica.
"Descubrimos una conexión importante entre la turbulencia y la reconexión magnética para acelerar las partículas, pero aún queda mucho trabajo por hacer, ", Dijo Comisso." Los avances en este campo de investigación rara vez son la contribución de un puñado de científicos, pero son el resultado de un gran esfuerzo de colaboración ".
Otros investigadores, como el grupo de Astrofísica de Plasma de la Universidad de Colorado Boulder, están haciendo contribuciones importantes en esta dirección, Comisso dijo.
