Πώς λάμπουν οι μαύρες τρύπες και τα αστέρια νετρονίων

Χωρίς αμφιβολία, οι μαύρες τρύπες και τα αστέρια νετρονίων είναι τα πιο μυστηριώδη αντικείμενα στο γνωστό σύμπαν. Ένα από τα μυστήρια που έχουν περιβάλλει αυτά τα πυκνά αντικείμενα που προκύπτουν στο τέλος της ζωής ενός άστρου είναι η πηγή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από τις περιοχές του διαστήματος που τα φιλοξενούν.

Οι αστροφυσικοί υποπτεύονται εδώ και δεκαετίες ότι αυτή η ακτινοβολία υψηλής ενέργειας είναι προϊόν ηλεκτρονίων που κινούνται με σχεδόν ταχύτητες φωτός γύρω από τις μαύρες τρύπες και τα αστέρια νετρονίων.

Το κομμάτι του παζλ που λείπει, ωστόσο, είναι ακριβώς η διαδικασία που προκαλεί την επιτάχυνση αυτών των ηλεκτρονίων σε τέτοιες σχετικιστικές ταχύτητες.

Τώρα, σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο the Astrophysical Journal , οι αστροφυσικοί Luca Comisso και Lorenzo Sironi συζητούν μαζικές προσομοιώσεις υπερυπολογιστών που έχουν χρησιμοποιήσει για να αποκαλύψουν αυτόν τον μυστήριο μηχανισμό πίσω από αυτήν την επιτάχυνση.

Το συμπέρασμα στο οποίο κατέληξε το δίδυμο από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια είναι ότι αυτή η ταχύτητα παρέχεται από μια αλληλεπίδραση μεταξύ της χαοτικής κίνησης και ενός φαινομένου που ονομάζεται «επανασύνδεση» που βρίσκεται σε εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Ο ερευνητής συνεχίζει εξηγώντας ότι οι περιοχές που φιλοξενούν μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων διαπερνούν μια θάλασσα εξαιρετικά θερμών σωματιδίων αερίου. Καθώς αυτά τα σωματίδια αερίου κινούνται χαοτικά, σέρνουν γραμμές μαγνητικού πεδίου μαζί τους. Αυτό οδηγεί σε έντονη μαγνητική επανασύνδεση.

Υπολογισμός χάους

Η δυσκολία στη μελέτη αυτού του τυρβώδους αερίου είναι ότι η χαοτική κίνηση είναι αδύνατο να προβλεφθεί με ακρίβεια. Στην πραγματικότητα, το πρόβλημα της αντιμετώπισης των μαθηματικών των αναταράξεων είναι τόσο γνωστό που είναι ένα από τα επτά προβλήματα που συνθέτουν την πρόκληση του Millennium Prize στα μαθηματικά.

Οι Comisso και Sironi αντιμετώπισαν αυτό το ζήτημα από αστροφυσική σκοπιά σχεδιάζοντας και χρησιμοποιώντας εκτενείς προσομοιώσεις υπερυπολογιστών για την επίλυση εξισώσεων που περιγράφουν αναταράξεις φορτισμένων σωματιδίων σε ένα αέριο. Αυτές οι προσομοιώσεις είναι μερικές από τις μεγαλύτερες που έχουν δημιουργηθεί ποτέ σε αυτόν τον ερευνητικό τομέα.

Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι το πιο κρίσιμο στοιχείο της μελέτης ήταν ο προσδιορισμός του ρόλου που έπαιξε η μαγνητική επανασύνδεση σε αυτό το ταραγμένο περιβάλλον.

Οι προσομοιώσεις τους υποδηλώνουν ότι η επανασύνδεση «επιλέγει» σωματίδια που θα επιταχυνθούν σε μαγνητικά πεδία σε σχεδόν σχετικιστικές ταχύτητες. Οι προσομοιώσεις δείχνουν επίσης ότι τα σωματίδια σε αυτό το περιβάλλον κέρδισαν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους αναπηδώντας από τις τυρβώδεις διακυμάνσεις τυχαία.

Όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο που εμπλέκεται σε αυτή τη διαδικασία, τόσο πιο γρήγορη είναι η επιτάχυνση των ηλεκτρονίων. Αυτά τα ισχυρά πεδία προκαλούν επίσης τα σωματίδια να ταξιδεύουν σε μια καμπύλη τροχιά, με τέτοια επιτάχυνση να προκαλεί την εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Κατανόηση των ακραίων περιβαλλόντων γύρω από τις μαύρες τρύπες και τα αστέρια νετρονίων

Το δίδυμο των ερευνητών επισημαίνει ότι ο απώτερος στόχος της μελέτης τους είναι να κατανοήσουν καλύτερα τα ακραία περιβάλλοντα που περιβάλλουν τόσο τις μαύρες τρύπες όσο και τα αστέρια νετρονίων και τα γεγονότα που συμβαίνουν σε αυτά.

Αυτό θα μπορούσε, με τη σειρά του, να ρίξει πρόσθετο φως τόσο στη θεμελιώδη φυσική όσο και στην κατανόησή μας για το πώς λειτουργεί το σύμπαν.

Αλλά υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει.

Η ομάδα σχεδιάζει να συγκρίνει τις προβλέψεις που αποκαλύπτονται από τις προσομοιώσεις της με τις παρατηρήσεις της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το Νεφέλωμα του Καβουριού. Αναλύοντας το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα αυτού του λαμπερού υπολείμματος σουπερνόβα που έχει απομείνει από τη βίαιη έκρηξη ενός αστεριού, μπορούν να συνδέσουν το έργο τους με πραγματικές παρατηρήσεις.

Πρωτότυπη έρευνα:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab4c33