Десятиліттями науковці міркували над походженням електромагнітного випромінювання з ділянок космічного простору, що містяться поблизу чорних дір та нейтронних зір — найзагадковіших об’єктів у Всесвіті.
Астрофізики вважають: це високоенергетичне випромінювання, яке робить «яскравими» нейтронні зорі та чорні діри, спричиняють електрони, що рухаються майже зі швидкістю світла. Однак процес, який прискорює ці частинки, досі був загадкою.
Тепер дослідники Колумбійського університету (США) запропонували нове пояснення фізичного процесу, що лежить в основі прискорення цих високоенергетичних частинок.
У дослідженні, результати якого оприлюднені в грудневому числі Astrophysical Journal, астрофізики Лука Коміссо (Luca Comisso) та Лоренцо Сіроні (Lorenzo Sironi) використовували надпотужні комп’ютери для моделювання механізмів, що прискорюють ці частинки. Дослідники дійшли висновку, що частинки набувають великої енергії через взаємодію між їхнім хаотичним рухом та перез’єднанням силових ліній надсильних магнітних полів.
«Турбулентність і магнітне перез’єднання — процес, при якому лінії магнітного поля рвуться і швидко відновлюються — діють як одне ціле для прискорення частинок, розганяючи їх до швидкостей, що наближаються до швидкості світла», — сказав Лука Коміссо, кандидат наук (постдокторант) Колумбійського університету та перший автор статті.
«Ділянки космічного простору довкола чорних дір та нейтронних зір заповнені дуже гарячим газом із заряджених частинок. Водночас лінії магнітного поля «слідують» за хаотичними рухами газу, що спричиняє швидке магнітне перез’єднання», — додав він. «Саме завдяки електричному полю, появу якого спричиняє повторне перез’єднання силових ліній магнітного поля, і турбулентності, частинки прискорюються до екстремальних енергій, набагато вищих, ніж у найпотужніших прискорювачах на Землі, зокрема таких, як Великий адронний колайдер ЦЕРН».
При вивченні турбулентного газу науковці не можуть точно передбачити хаотичний рух. Математика турбулентності складна. Вона, зокрема, є однією з семи математичних задач «Премії тисячоліття». Щоб вирішити цю проблему з погляду астрофізики, Коміссо та Сироні розробили комп’ютерні моделі — одні з найдокладніших у світі, які коли-небудь робили в цій дослідницькій галузі, — для розв’язку рівнянь, що описують турбулентність у газі із заряджених частинок.
Нейтронна зоря, що швидко обертається, в центрі Крабоподібної туманності — це динамо, яке спричиняє випромінювання (показане синім кольором) внутрішньої ділянки туманності. Його утворюють електрони, що рухаються від нейтронної зорі майже зі швидкістю світла по спіралях навколо силових ліній магнітного поля. Нейтронна зоря, надщільне ядро, що залишилося після спалаху наднової, як маяк, випромінює два промені, які формують імпульси 30 разів на секунду. Фото з сайту https://phys.org.
«Ми використовували найточнішу методику — метод «частинка в клітині» (the particle-in-cell method) — для обчислення траєкторій сотень мільярдів заряджених частинок, які послідовно диктують електромагнітні поля. І саме це електромагнітне поле підказує їм, як рухатись», — сказав Сіроні, доцент кафедри астрономії в Колумбійському університеті та керівник дослідження.
Сіроні заявив, що вирішальним моментом дослідження було визначення ролі магнітного перез’єднання у турбулентному середовищі. Моделювання показало, що повторне перез’єднання силових ліній магнітного поля є головним механізмом, який виділяє частинки, що згодом будуть прискорені турбулентними магнітними полями до найвищих енергій.
Моделювання також виявило, що частинки отримували більшу частину своєї енергії внаслідок випадкового прискорення до дуже високих швидкостей, спричиненого флуктуаціями турбулентності. Коли магнітне поле сильне, цей механізм прискорення дуже дієвий. Але сильні поля також змушують частинки рухатися по спіральних траєкторіях, і тим самим вони утворюють електромагнітне випромінювання.
Кінцевою метою дослідження, зазначають науковці, є пізнання того, що насправді відбувається в екстремальному середовищі навколо чорних дір та нейтронних зір. Адже це може пролити додаткове світло на фундаментальну фізику та покращити наше розуміння того, як влаштований Всесвіт.
Дослідники планують докладніше пов’язати свої результати зі спостережними даними, порівнявши свої передбачення з електромагнітним спектром від Крабоподібної туманності, найкраще вивченим яскравим залишком наднової (зоря, що вибухнула в 1054 році). Це буде важливий тест для їх теоретичного пояснення.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
