Las líneas de campo magnético enredadas como espaguetis en un cuenco podrían estar detrás de los aceleradores de partículas más poderosos del universo. Ese es el resultado de un nuevo estudio computacional realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, que simulaba emisiones de partículas de galaxias activas distantes.

En el núcleo de estas galaxias activas, agujeros negros supermasivos lanzan chorros de plasma de alta velocidad, un gas ionizado, que dispara millones de años luz al espacio. Este proceso puede ser la fuente de rayos cósmicos con energías decenas de millones de veces más altas que la energía desatada en el acelerador de partículas más poderoso hecho por el hombre.

"El mecanismo que crea estas energías de partículas extremas aún no se conoce, "dijo el científico del personal de SLAC, Frederico Fiúza, el investigador principal de un nuevo estudio que se publicará mañana en Cartas de revisión física . "Pero según nuestras simulaciones, podemos proponer un nuevo mecanismo que potencialmente puede explicar cómo funcionan estos aceleradores de partículas cósmicas ".

Los resultados también podrían tener implicaciones para la investigación de fusión nuclear y de plasma y el desarrollo de nuevos aceleradores de partículas de alta energía.

Simulación de chorros cósmicos Los investigadores han estado fascinados durante mucho tiempo por los procesos violentos que aumentan la energía de las partículas cósmicas. Por ejemplo, han reunido evidencia de que las ondas de choque de poderosas explosiones estelares podrían acelerar las partículas y enviarlas a través del universo.

Los científicos también han sugerido que la principal fuerza impulsora de los chorros de plasma cósmico podría ser la energía magnética liberada cuando las líneas del campo magnético en los plasmas se rompen y se vuelven a conectar de una manera diferente, un proceso conocido como "reconexión magnética".

Sin embargo, el nuevo estudio sugiere un mecanismo diferente que está relacionado con la interrupción del campo magnético helicoidal generado por el agujero negro supermasivo que gira en el centro de las galaxias activas.

"Sabíamos que estos campos pueden volverse inestables, "dijo el autor principal Paulo Alves, un investigador asociado que trabaja con Fiúza. "Pero, ¿qué sucede exactamente cuando los campos magnéticos se distorsionan? y ¿podría este proceso explicar cómo las partículas obtienen una energía tremenda en estos chorros? Eso es lo que queríamos averiguar en nuestro estudio ".

Para hacerlo los investigadores simularon los movimientos de hasta 550 mil millones de partículas, una versión en miniatura de un chorro cósmico, en la supercomputadora Mira en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. Luego, ampliaron sus resultados a dimensiones cósmicas y los compararon con observaciones astrofísicas.

De líneas de campo enmarañadas a partículas de alta energía Las simulaciones mostraron que cuando el campo magnético helicoidal está fuertemente distorsionado, las líneas del campo magnético se enredan mucho y se produce un gran campo eléctrico dentro del chorro. Esta disposición de campos eléctricos y magnéticos puede, Por supuesto, Acelera eficientemente electrones y protones a energías extremas. Mientras que los electrones de alta energía irradian su energía en forma de rayos X y rayos gamma, los protones pueden escapar del chorro al espacio y alcanzar la atmósfera de la Tierra como radiación cósmica.

"Vemos que una gran parte de la energía magnética liberada en el proceso se convierte en partículas de alta energía, y el mecanismo de aceleración puede explicar tanto la radiación de alta energía proveniente de las galaxias activas como las energías de rayos cósmicos más altas observadas, "Dijo Alves.

Roger Blandford, un experto en física de agujeros negros y ex director del SLAC / Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas de la Universidad de Stanford (KIPAC), que no participó en el estudio, dijo, "Este análisis cuidadoso identifica muchos detalles sorprendentes de lo que sucede en condiciones que se cree que están presentes en chorros distantes, y puede ayudar a explicar algunas observaciones astrofísicas notables ".

Próximo, los investigadores quieren conectar su trabajo aún más firmemente con las observaciones reales, por ejemplo, estudiando qué hace que la radiación de los chorros cósmicos varíe rápidamente con el tiempo. También tienen la intención de realizar una investigación de laboratorio para determinar si el mismo mecanismo propuesto en este estudio también podría causar interrupciones y aceleración de partículas en los plasmas de fusión.