Спутанные, как спагетти в миске, силовые линии магнитного поля могут стоять за самыми мощными ускорителями частиц во Вселенной. Это результат нового вычислительного исследования, проведенного исследователями из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, которые смоделировали выбросы частиц из далеких активных галактик.
В ядре этих активных галактик сверхмассивные черные дыры запускают высокоскоростные струи плазмы - горячего ионизированного газа - которые выбрасывают в космос миллионы световых лет. Этот процесс может быть источником космических лучей с энергиями, в десятки миллионов раз превышающими энергию, высвобождаемую в самом мощном созданном человеком ускорителе частиц.
«Механизм, который создает эти экстремальные энергии частиц, еще не известен», - сказал штатный научный сотрудник SLAC Фредерико Фьюза, главный исследователь нового исследования, которое будет опубликовано завтра в Physical Review Letters. «Но на основе наших симуляций мы можем предложить новый механизм, который потенциально может объяснить, как работают эти космические ускорители частиц».
Результаты также могут иметь значение для исследований плазмы и ядерного синтеза и разработки новых ускорителей частиц высоких энергий.
Моделирование космических струй Исследователи уже давно увлечены бурными процессами, которые увеличивают энергию космических частиц. Например, они собрали доказательства того, что ударные волны от мощных взрывов звезд могут разгонять частицы до определенной скорости и отправлять их по Вселенной.
Ученые также предположили, что основной движущей силой космических струй плазмы может быть магнитная энергия, высвобождаемая, когда силовые линии магнитного поля в плазме разрываются и воссоединяются другим способом - процесс, известный как «магнитное пересоединение».
Однако новое исследование предлагает другой механизм, связанный с нарушением спирального магнитного поля, создаваемого сверхмассивной черной дырой, вращающейся в центре активных галактик.
«Мы знали, что эти поля могут стать нестабильными», - сказал ведущий автор Пауло Алвес, научный сотрудник, работающий с Фиузой. «Но что именно происходит, когда магнитные поля искажаются, и может ли этот процесс объяснить, как частицы получают огромную энергию в этих струях? Это то, что мы хотели выяснить в нашем исследовании."
Для этого исследователи смоделировали движение до 550 миллиардов частиц - миниатюрной версии космического джета - на суперкомпьютере Mira в Аргоннском вычислительном центре (ALCF) в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Затем они увеличили свои результаты до космических измерений и сравнили их с астрофизическими наблюдениями.
От запутанных силовых линий к высокоэнергетическим частицам Моделирование показало, что, когда винтовое магнитное поле сильно искажено, магнитные силовые линии становятся сильно запутанными, и внутри джета создается сильное электрическое поле. Такое расположение электрических и магнитных полей действительно может эффективно ускорять электроны и протоны до экстремальных энергий. В то время как высокоэнергетические электроны излучают свою энергию в виде рентгеновских и гамма-лучей, протоны могут вырваться из струи в космос и достичь атмосферы Земли в виде космического излучения.
Мы видим, что большая часть выделяемой при этом магнитной энергии переходит в высокоэнергетические частицы, и механизм ускорения может объяснить как высокоэнергетическое излучение, исходящее от активных галактик, так и космические лучи с высочайшей энергией наблюдается», - сказал Алвес.
Роджер Блэндфорд, эксперт по физике черных дыр и бывший директор Института астрофизики и космологии частиц Кавли SLAC/Стэнфордского университета (KIPAC), не участвовавший в исследовании, сказал: «Этот тщательный анализ выявил многие удивительные детали того, что происходит в условиях, которые, как считается, присутствуют в далеких джетах, и могут помочь объяснить некоторые замечательные астрофизические наблюдения».
Далее исследователи хотят еще более тесно связать свою работу с реальными наблюдениями, например, изучая, что заставляет излучение космических струй быстро меняться во времени. Они также намерены провести лабораторные исследования, чтобы определить, может ли тот же механизм, предложенный в этом исследовании, вызывать сбои и ускорение частиц в термоядерной плазме.