Le linee del campo magnetico aggrovigliate come spaghetti in una ciotola potrebbero essere dietro i più potenti acceleratori di particelle dell'universo. Questo è il risultato di un nuovo studio computazionale condotto da ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, che simulava le emissioni di particelle da galassie attive distanti.

Al centro di queste galassie attive, buchi neri supermassicci lanciano getti di plasma ad alta velocità, gas ionizzato, che sparano milioni di anni luce nello spazio. Questo processo può essere la fonte di raggi cosmici con energie decine di milioni di volte superiori all'energia liberata nel più potente acceleratore di particelle creato dall'uomo.

"Il meccanismo che crea queste energie di particelle estreme non è ancora noto, " ha detto lo scienziato dello staff SLAC Frederico Fiúza, il ricercatore principale di un nuovo studio che pubblicherà domani in Lettere di revisione fisica . "Ma in base alle nostre simulazioni, siamo in grado di proporre un nuovo meccanismo che può potenzialmente spiegare come funzionano questi acceleratori di particelle cosmiche".

I risultati potrebbero anche avere implicazioni per la ricerca sul plasma e sulla fusione nucleare e lo sviluppo di nuovi acceleratori di particelle ad alta energia.

Simulazione di getti cosmici I ricercatori sono da tempo affascinati dai processi violenti che potenziano l'energia delle particelle cosmiche. Per esempio, hanno raccolto prove che le onde d'urto di potenti esplosioni stellari potrebbero aumentare la velocità delle particelle e inviarle attraverso l'universo.

Gli scienziati hanno anche suggerito che la principale forza trainante per i getti di plasma cosmico potrebbe essere l'energia magnetica rilasciata quando le linee del campo magnetico nei plasmi si rompono e si riconnettono in un modo diverso, un processo noto come "riconnessione magnetica".

Però, il nuovo studio suggerisce un meccanismo diverso legato all'interruzione del campo magnetico elicoidale generato dal buco nero supermassiccio che ruota al centro delle galassie attive.

"Sapevamo che questi campi possono diventare instabili, " ha detto l'autore principale Paulo Alves, un ricercatore associato che lavora con Fiúza. "Ma cosa succede esattamente quando i campi magnetici vengono distorti, e questo processo potrebbe spiegare come le particelle acquisiscano un'enorme energia in questi getti? Questo è quello che volevamo scoprire nel nostro studio".

Fare così, i ricercatori hanno simulato i movimenti di un massimo di 550 miliardi di particelle, una versione in miniatura di un getto cosmico, sul supercomputer Mira presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) presso l'Argonne National Laboratory del DOE. Quindi, hanno scalato i loro risultati a dimensioni cosmiche e li hanno confrontati con le osservazioni astrofisiche.

Dalle linee di campo aggrovigliate alle particelle ad alta energia Le simulazioni hanno mostrato che quando il campo magnetico elicoidale è fortemente distorto, le linee del campo magnetico si aggrovigliano fortemente e viene prodotto un grande campo elettrico all'interno del getto. Questa disposizione dei campi elettrici e magnetici può, infatti, accelerare efficacemente elettroni e protoni a energie estreme. Mentre gli elettroni ad alta energia irradiano la loro energia sotto forma di raggi X e raggi gamma, i protoni possono sfuggire al getto nello spazio e raggiungere l'atmosfera terrestre come radiazione cosmica.

"Vediamo che una grande porzione dell'energia magnetica rilasciata nel processo va in particelle ad alta energia, e il meccanismo di accelerazione può spiegare sia la radiazione ad alta energia proveniente da galassie attive sia le più alte energie dei raggi cosmici osservate, " ha detto Alves.

Roger Blandford, un esperto in fisica dei buchi neri ed ex direttore dello SLAC/Stanford University Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), che non è stato coinvolto nello studio, disse, "Questa attenta analisi identifica molti dettagli sorprendenti di ciò che accade in condizioni che si ritiene siano presenti in getti distanti, e può aiutare a spiegare alcune notevoli osservazioni astrofisiche".

Prossimo, i ricercatori vogliono collegare ancora più saldamente il loro lavoro con le osservazioni reali, per esempio studiando cosa fa variare rapidamente la radiazione dei getti cosmici nel tempo. Intendono anche condurre ricerche di laboratorio per determinare se lo stesso meccanismo proposto in questo studio potrebbe anche causare interruzioni e accelerazione delle particelle nei plasmi di fusione.