Al decenia, wetenschappers hebben gespeculeerd over de oorsprong van de elektromagnetische straling die wordt uitgezonden door hemelgebieden met zwarte gaten en neutronensterren - de meest mysterieuze objecten in het universum.

Astrofysici geloven dat deze hoogenergetische straling - die neutronensterren en zwarte gaten helder laat schijnen - wordt gegenereerd door elektronen die met bijna de snelheid van het licht bewegen, maar het proces dat deze deeltjes versnelt, is een mysterie gebleven.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Columbia University hebben een nieuwe verklaring gepresenteerd voor de fysica die ten grondslag ligt aan de versnelling van deze energetische deeltjes.

In een studie gepubliceerd in het decembernummer van Het astrofysische tijdschrift , astrofysici Luca Comisso en Lorenzo Sironi gebruikten enorme supercomputersimulaties om de mechanismen te berekenen die deze deeltjes versnellen. Ze concludeerden dat hun bekrachtiging het resultaat is van de interactie tussen chaotische beweging en het opnieuw verbinden van supersterke magnetische velden.

"Turbulentie en magnetische herverbinding - een proces waarbij magnetische veldlijnen scheuren en snel opnieuw verbinden - werken samen om deeltjes te versnellen, ze stimuleren tot snelheden die de snelheid van het licht benaderen, " zei Luca Comissa, een postdoctoraal onderzoeker aan Columbia en eerste auteur van de studie.

"Het gebied dat zwarte gaten en neutronensterren herbergt, is doordrongen van een extreem heet gas van geladen deeltjes, en de magnetische veldlijnen die worden voortgetrokken door de chaotische bewegingen van het gas, drijf krachtige magnetische herverbinding aan, " voegde hij eraan toe. "Het is dankzij het elektrische veld dat wordt veroorzaakt door heraansluiting en turbulentie dat deeltjes worden versneld tot de meest extreme energieën, veel hoger dan in de krachtigste versnellers op aarde, zoals de Large Hadron Collider bij CERN."

Bij het bestuderen van turbulent gas, wetenschappers kunnen chaotische bewegingen niet precies voorspellen. Omgaan met de wiskunde van turbulentie is moeilijk, en het vormt een van de zeven wiskundige problemen van de "Millenniumprijs". Om deze uitdaging vanuit een astrofysisch oogpunt aan te pakken, Comisso en Sironi ontwierpen uitgebreide supercomputersimulaties - een van 's werelds grootste die ooit in dit onderzoeksgebied zijn gedaan - om de vergelijkingen op te lossen die de turbulentie in een gas van geladen deeltjes beschrijven.

"We gebruikten de meest nauwkeurige techniek - de deeltjes-in-cel-methode - voor het berekenen van de banen van honderden miljarden geladen deeltjes die zelfconsistent de elektromagnetische velden dicteren. En het is dit elektromagnetische veld dat hen vertelt hoe ze moeten bewegen, " zei Sironi, assistent-professor astronomie aan Columbia en de hoofdonderzoeker van de studie.

Sironi zei dat het cruciale punt van de studie was om de rol van magnetische herverbinding in de turbulente omgeving te identificeren. De simulaties toonden aan dat herverbinding het belangrijkste mechanisme is dat de deeltjes selecteert die vervolgens worden versneld door de turbulente magnetische velden tot de hoogste energieën.

De simulaties onthulden ook dat deeltjes het grootste deel van hun energie wonnen door willekeurig met een extreem hoge snelheid te stuiteren op de turbulentiefluctuaties. Wanneer het magnetische veld sterk is, dit versnellingsmechanisme is zeer snel. Maar de sterke velden dwingen de deeltjes ook om in een gebogen pad te reizen, en door dit te doen, ze zenden elektromagnetische straling uit.

"Dit is inderdaad de straling die wordt uitgezonden rond zwarte gaten en neutronensterren waardoor ze schijnen, een fenomeen dat we op aarde kunnen waarnemen, ' zei Sironi.

Het ultieme doel, zeiden de onderzoekers, is om te weten wat er werkelijk aan de hand is in de extreme omgeving rond zwarte gaten en neutronensterren, die extra licht zouden kunnen werpen op de fundamentele fysica en ons begrip van hoe ons universum werkt kunnen verbeteren.

Ze zijn van plan om hun werk nog sterker te verbinden met observaties, door hun voorspellingen te vergelijken met het elektromagnetische spectrum dat wordt uitgezonden door de Krabnevel, het meest intensief bestudeerde heldere overblijfsel van een supernova (een ster die in het jaar 1054 met geweld explodeerde). Dit zal een zware test zijn voor hun theoretische verklaring.

"We hebben een belangrijk verband ontdekt tussen turbulentie en magnetische herverbinding voor versnellende deeltjes, maar er is nog zoveel werk aan de winkel, "Zei Comisso. "Vooruitgang op dit onderzoeksgebied is zelden de bijdrage van een handvol wetenschappers, maar ze zijn het resultaat van een grote gezamenlijke inspanning."

Andere onderzoekers, zoals de Plasma Astrophysics-groep aan de Universiteit van Colorado Boulder, leveren hier een belangrijke bijdrage aan, zei Comiso.