Magnetische veldlijnen die als spaghetti in een kom verstrengeld zijn, kunnen achter de krachtigste deeltjesversnellers in het universum zitten. Dat is het resultaat van een nieuwe computationele studie door onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, die de emissie van deeltjes van verre actieve sterrenstelsels simuleerde.

In de kern van deze actieve sterrenstelsels, superzware zwarte gaten lanceren supersnelle plasmastralen - een hete, geïoniseerd gas - dat miljoenen lichtjaren de ruimte in schiet. Dit proces kan de bron zijn van kosmische straling met energieën die tientallen miljoenen keren hoger zijn dan de energie die vrijkomt in de krachtigste door mensen gemaakte deeltjesversneller.

"Het mechanisme dat deze extreme deeltjesenergieën creëert, is nog niet bekend, " zei SLAC-stafwetenschapper Frederico Fiúza, de hoofdonderzoeker van een nieuwe studie die morgen in Fysieke beoordelingsbrieven . "Maar op basis van onze simulaties, we kunnen een nieuw mechanisme voorstellen dat mogelijk kan verklaren hoe deze kosmische deeltjesversnellers werken."

De resultaten kunnen ook implicaties hebben voor plasma- en kernfusieonderzoek en de ontwikkeling van nieuwe hoogenergetische deeltjesversnellers.

Kosmische jets simuleren Onderzoekers zijn al lang gefascineerd door de gewelddadige processen die de energie van kosmische deeltjes stimuleren. Bijvoorbeeld, ze hebben bewijs verzameld dat schokgolven van krachtige sterexplosies deeltjes op snelheid kunnen brengen en ze door het universum kunnen sturen.

Wetenschappers hebben ook gesuggereerd dat de belangrijkste drijvende kracht voor kosmische plasmastralen magnetische energie zou kunnen zijn die vrijkomt wanneer magnetische veldlijnen in plasma's breken en op een andere manier opnieuw verbinden - een proces dat bekend staat als 'magnetische herverbinding'.

Echter, de nieuwe studie suggereert een ander mechanisme dat verband houdt met de verstoring van het spiraalvormige magnetische veld dat wordt gegenereerd door het superzware zwarte gat dat ronddraait in het centrum van actieve sterrenstelsels.

"We wisten dat deze velden onstabiel kunnen worden, " zei hoofdauteur Paulo Alves, een onderzoeksmedewerker die met Fiúza werkt. "Maar wat gebeurt er precies als de magnetische velden vervormd raken, en zou dit proces kunnen verklaren hoe deeltjes enorme energie krijgen in deze jets? Daar wilden we in ons onderzoek achter komen."

Om dit te doen, de onderzoekers simuleerden de bewegingen van maximaal 550 miljard deeltjes - een miniatuurversie van een kosmische jet - op de Mira-supercomputer van de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) in het Argonne National Laboratory van DOE. Vervolgens, ze hebben hun resultaten opgeschaald naar kosmische dimensies en vergeleken met astrofysische waarnemingen.

Van verstrengelde veldlijnen tot hoogenergetische deeltjes De simulaties toonden aan dat wanneer het helixvormige magnetische veld sterk wordt vervormd, de magnetische veldlijnen raken sterk verward en er wordt een groot elektrisch veld geproduceerd in de jet. Deze opstelling van elektrische en magnetische velden kan, inderdaad, elektronen en protonen efficiënt versnellen tot extreme energieën. Terwijl hoogenergetische elektronen hun energie wegstralen in de vorm van röntgenstralen en gammastralen, protonen kunnen ontsnappen aan de jet de ruimte in en de atmosfeer van de aarde bereiken als kosmische straling.

"We zien dat een groot deel van de magnetische energie die vrijkomt bij het proces in hoogenergetische deeltjes terechtkomt, en het versnellingsmechanisme kan zowel de hoogenergetische straling van actieve sterrenstelsels als de hoogste waargenomen kosmische stralingsenergieën verklaren, ' zei Alves.

Roger Blandford, een expert in de fysica van zwarte gaten en voormalig directeur van het SLAC/Stanford University Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), die niet bij het onderzoek betrokken was, zei, "Deze zorgvuldige analyse identificeert veel verrassende details van wat er gebeurt onder omstandigheden waarvan wordt aangenomen dat ze aanwezig zijn in verre jets, en kan helpen bij het verklaren van enkele opmerkelijke astrofysische waarnemingen."

Volgende, de onderzoekers willen hun werk nog sterker verbinden met feitelijke waarnemingen, bijvoorbeeld door te bestuderen waardoor de straling van kosmische jets snel varieert in de tijd. Ze zijn ook van plan laboratoriumonderzoek te doen om te bepalen of hetzelfde mechanisme dat in deze studie wordt voorgesteld, ook verstoringen en deeltjesversnelling in fusieplasma's kan veroorzaken.