Qui, una massiccia simulazione al supercomputer mostra le forti fluttuazioni della densità delle particelle che si verificano negli ambienti estremamente turbolenti che ospitano buchi neri e stelle di neutroni. Le regioni blu scuro sono regioni a bassa densità di particelle, mentre le regioni gialle sono regioni fortemente troppo dense. Le particelle vengono accelerate a velocità estremamente elevate a causa delle interazioni con forti fluttuazioni di turbolenza in questo ambiente. Credito:immagine da studio pubblicato
Per decenni, gli scienziati hanno ipotizzato l'origine della radiazione elettromagnetica emessa dalle regioni celesti che ospitano buchi neri e stelle di neutroni, gli oggetti più misteriosi dell'universo.
Gli astrofisici credono che questa radiazione ad alta energia, che fa brillare le stelle di neutroni e i buchi neri, sia generata da elettroni che si muovono quasi alla velocità della luce, ma il processo che accelera queste particelle è rimasto un mistero.
Ora, i ricercatori della Columbia University hanno presentato una nuova spiegazione per la fisica alla base dell'accelerazione di queste particelle energetiche.
In uno studio pubblicato nel numero di dicembre di Il Giornale Astrofisico , gli astrofisici Luca Comisso e Lorenzo Sironi hanno utilizzato enormi simulazioni al supercomputer per calcolare i meccanismi che accelerano queste particelle. Hanno concluso che la loro energizzazione è il risultato dell'interazione tra il movimento caotico e la riconnessione di campi magnetici super-forti.
"La turbolenza e la riconnessione magnetica, un processo in cui le linee del campo magnetico si strappano e si riconnettono rapidamente, cospirano insieme per accelerare le particelle, spingendoli a velocità che si avvicinano alla velocità della luce, " ha detto Luca Comisso, uno scienziato ricercatore post-dottorato alla Columbia e primo autore dello studio.
"La regione che ospita buchi neri e stelle di neutroni è permeata da un gas estremamente caldo di particelle cariche, e le linee del campo magnetico trascinate dai moti caotici del gas, guidare una vigorosa riconnessione magnetica, " ha aggiunto. "È grazie al campo elettrico indotto dalla riconnessione e dalla turbolenza che le particelle vengono accelerate alle energie più estreme, molto più alto che nei più potenti acceleratori della Terra, come il Large Hadron Collider al CERN."
Quando si studia il gas turbolento, gli scienziati non possono prevedere con precisione il movimento caotico. Affrontare la matematica della turbolenza è difficile, e costituisce uno dei sette problemi matematici del "Millennium Prize". Per affrontare questa sfida da un punto di vista astrofisico, Comisso e Sironi hanno progettato ampie simulazioni al supercomputer, tra le più grandi mai realizzate al mondo in quest'area di ricerca, per risolvere le equazioni che descrivono la turbolenza in un gas di particelle cariche.
La stella di neutroni in rapida rotazione incorporata al centro della nebulosa del Granchio è la dinamo che alimenta il misterioso bagliore bluastro interno della nebulosa. La luce blu proviene da elettroni che ruotano quasi alla velocità della luce attorno alle linee del campo magnetico della stella di neutroni. La stella di neutroni, il nucleo ultra-denso schiacciato della stella esplosa, come un faro, emette raggi gemelli di radiazioni che sembrano pulsare 30 volte al secondo. Credito:NASA, ESA, J. Hester (Università statale dell'Arizona)
"Abbiamo usato la tecnica più precisa, il metodo particella nella cellula, per calcolare le traiettorie di centinaia di miliardi di particelle cariche che dettano in modo autoconsistente i campi elettromagnetici. Ed è questo campo elettromagnetico che dice loro come muoversi, "disse Sironi, assistente professore di astronomia alla Columbia e ricercatore principale dello studio.
Sironi ha affermato che il punto cruciale dello studio era identificare il ruolo svolto dalla riconnessione magnetica all'interno dell'ambiente turbolento. Le simulazioni hanno mostrato che la riconnessione è il meccanismo chiave che seleziona le particelle che verranno successivamente accelerate dai campi magnetici turbolenti fino alle energie più elevate.
Le simulazioni hanno anche rivelato che le particelle hanno guadagnato la maggior parte della loro energia rimbalzando casualmente a una velocità estremamente elevata rispetto alle fluttuazioni della turbolenza. Quando il campo magnetico è forte, questo meccanismo di accelerazione è molto rapido. Ma i campi forti costringono anche le particelle a viaggiare lungo un percorso curvo, e così facendo, emettono radiazioni elettromagnetiche.
"Questa è davvero la radiazione emessa attorno ai buchi neri e alle stelle di neutroni che li fa brillare, un fenomeno che possiamo osservare sulla Terra, " ha detto Sironi.
L'ultimo goal, i ricercatori hanno detto, è conoscere cosa sta realmente accadendo nell'ambiente estremo che circonda i buchi neri e le stelle di neutroni, che potrebbe gettare ulteriore luce sulla fisica fondamentale e migliorare la nostra comprensione di come funziona il nostro Universo.
Hanno in programma di collegare ancora più saldamente il loro lavoro con le osservazioni, confrontando le loro previsioni con lo spettro elettromagnetico emesso dalla Nebulosa del Granchio, il residuo luminoso più intensamente studiato di una supernova (una stella che esplose violentemente nell'anno 1054). Questo sarà un test rigoroso per la loro spiegazione teorica.
"Abbiamo scoperto un'importante connessione tra turbolenza e riconnessione magnetica per le particelle in accelerazione, ma c'è ancora tanto lavoro da fare, " Ha detto Comisso. "I progressi in questo campo di ricerca sono raramente il contributo di una manciata di scienziati, ma sono il risultato di un grande sforzo di collaborazione".
Altri ricercatori, come il gruppo di astrofisica del plasma presso l'Università del Colorado Boulder, stanno dando importanti contributi in questa direzione, disse Commisso.
