Протягом десятиліть вчені роздумували про походження електромагнітного випромінювання, що випускається областями, в яких розташовані чорні діри і нейтронні зірки - найзагадковіші об'єкти у всесвіті.
Астрофізики вважають, що це випромінювання високої енергії, завдяки якому нейтронні зірки і чорні діри сяють яскраво, генерується електронами, що рухаються майже зі швидкістю світла, але процес, який прискорює ці частинки, залишається загадкою.
Тепер дослідники з Колумбійського університету представили нове пояснення фізики, що лежить в основі прискорення цих частинок.
У дослідженні астрофізики Лука Комісо і Лоренцо Сіроні використовували масивні суперкомп'ютерні симуляції для розрахунку механізмів, що прискорюють ці частинки. Вони дійшли висновку, що їх збудження є результатом взаємодії між хаотичним рухом і перепідключенням надсильних магнітних полів.
«Турбулентність і магнітне перепідключення - процес, в якому лінії магнітного поля розриваються і швидко возз'єднуються - зливаються воєдино, щоб прискорити частинки, збільшуючи їх до швидкостей, що наближаються до швидкості світла», - кажуть вчені.
«Область, в якій розташовані чорні діри і нейтронні зірки, пронизана надзвичайно гарячим газом заряджених частинок, а лінії магнітного поля, перетягувані хаотичними рухами газу, призводять до сильного магнітного пересоєднання».
«Саме завдяки електричному полю, викликаному перепідключенням і турбулентністю, частинки прискорюються до найбільш екстремальних енергій, набагато вище, ніж у найпотужніших прискорювачах на Землі, таких як Великий адронний колайдер в ЦЕРН».
При вивченні турбулентного газу вчені не можуть точно передбачити хаотичний рух. Займатися математикою турбулентності дуже складно, і вона являє собою одну з семи математичних проблем «Премії тисячоліття».
Щоб вирішити цю проблему з астрофізичної точки зору, Комісо і Сіроні розробили суперкомп'ютерні симуляції - найбільші в світі, серед коли-небудь проведених в цій області досліджень - для вирішення рівнянь, що описують турбулентність в газі заряджених частинок.
"Ми використовували найточніший метод - метод частинок у комірці - для розрахунку траєкторій сотень мільярдів заряджених частинок, які самоузгоджено визначають електромагнітні поля. І саме це електромагнітне поле говорить їм, як рухатися "
Критичною точкою дослідження є визначення ролі магнітного пересоєднання в турбулентному середовищі. Моделювання показало, що перепідключення є ключовим механізмом, який вибирає частинки, які згодом будуть прискорюватися турбулентними магнітними полями до найвищих енергій.
Моделювання також показало, що частинки отримували більшу частину своєї енергії, випадковим чином відскакуючи з надзвичайно високою швидкістю від коливань турбулентності. Коли магнітне поле сильне, цей механізм прискорення дуже швидкий.
Але сильні поля також змушують частинки переміщатися по викривленій траєкторії, і при цьому вони випромінюють електромагнітне випромінювання.
«Це дійсно випромінювання, випромінюване навколо чорних дір і нейтронних зірок, які змушують їх сяяти - явище, яке ми можемо спостерігати на Землі», - кажуть дослідники.
За словами вчених, кінцева мета - дізнатися, що насправді відбувається в екстремальному середовищі, що оточує чорні діри і нейтронні зірки, що може пролити додаткове світло на фундаментальну фізику і поліпшити наше розуміння того, як функціонує наш Всесвіт.
Вони планують ще тісніше пов'язати свою роботу зі спостереженнями, порівнюючи свої передбачення з електромагнітним спектром, випромінюваним Крабовидною туманністю, найбільш інтенсивно вивченим яскравим залишком наднової (зірки, яка вибухнула в 1054 році). Це буде суворим тестом для їхнього теоретичного пояснення.