Las líneas de campo magnético enredadas como espaguetis en un recipiente podrían estar detrás de los aceleradores de partículas más potentes del universo. Ese es el resultado de un nuevo estudio computacional realizado por investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, que simulaba emisiones de partículas de activos distantesgalaxias.
En el centro de estas galaxias activas, los agujeros negros supermasivos lanzan chorros de plasma de alta velocidad, un gas ionizado caliente, que disparan millones de años luz al espacio. Este proceso puede ser la fuente de rayos cósmicos con energías decenasde millones de veces más alta que la energía desatada en el acelerador de partículas más poderoso hecho por el hombre.
"El mecanismo que crea estas energías de partículas extremas aún no se conoce", dijo el científico del personal de SLAC Frederico Fiúza, el investigador principal de un nuevo estudio que se publicará mañana en Cartas de revisión física . "Pero en base a nuestras simulaciones, podemos proponer un nuevo mecanismo que potencialmente pueda explicar cómo funcionan estos aceleradores de partículas cósmicas".
Los resultados también podrían tener implicaciones para la investigación de plasma y fusión nuclear y el desarrollo de nuevos aceleradores de partículas de alta energía.
Simulando chorros cósmicos Los investigadores han estado fascinados durante mucho tiempo por los procesos violentos que aumentan la energía de las partículas cósmicas. Por ejemplo, han reunido evidencia de que las ondas de choque de las poderosas explosiones de estrellas podrían acelerar las partículas y enviarlas a través del universo.
Los científicos también han sugerido que la principal fuerza impulsora de los chorros de plasma cósmico podría ser la energía magnética liberada cuando las líneas de campo magnético en los plasmas se rompen y se reconectan de una manera diferente, un proceso conocido como "reconexión magnética".
Sin embargo, el nuevo estudio sugiere un mecanismo diferente relacionado con la interrupción del campo magnético helicoidal generado por el agujero negro supermasivo que gira en el centro de las galaxias activas.
"Sabíamos que estos campos pueden volverse inestables", dijo el autor principal, Paulo Alves, investigador asociado que trabaja con Fiúza. "Pero qué sucede exactamente cuando los campos magnéticos se distorsionan, y podría este proceso explicar cómo las partículas obtienen una energía tremenda en estosjets? Eso es lo que queríamos descubrir en nuestro estudio "
Para hacerlo, los investigadores simularon los movimientos de hasta 550 mil millones de partículas, una versión en miniatura de un chorro cósmico, en la supercomputadora Mira en el Argonne Leadership Computing Facility ALCF en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. Luego, ellosamplió sus resultados a dimensiones cósmicas y los comparó con observaciones astrofísicas.
desde líneas de campo enredadas hasta partículas de alta energía Las simulaciones mostraron que cuando el campo magnético helicoidal está fuertemente distorsionado, las líneas de campo magnético se enredan mucho y se produce un gran campo eléctrico dentro del chorro. Esta disposición de campos eléctricos y magnéticos puede, de hecho, acelera eficientemente electrones y protones a energías extremas. Mientras que los electrones de alta energía irradian su energía en forma de rayos X y rayos gamma, los protones pueden escapar del chorro al espacio y alcanzar la atmósfera de la Tierra como radiación cósmica.
"Vemos que una gran parte de la energía magnética liberada en el proceso entra en partículas de alta energía, y el mecanismo de aceleración puede explicar tanto la radiación de alta energía proveniente de las galaxias activas como las energías de rayos cósmicos más altas observadas".Dijo Alves
Roger Blandford, experto en física de agujeros negros y ex director del SLAC / Instituto Kavli de Astrofísica y Cosmología de Partículas de la Universidad de Stanford KIPAC, que no participó en el estudio, dijo: "Este análisis cuidadoso identifica muchos detalles sorprendentes delo que sucede en condiciones que se cree que están presentes en chorros distantes y pueden ayudar a explicar algunas observaciones astrofísicas notables ".
A continuación, los investigadores quieren conectar su trabajo aún más firmemente con observaciones reales, por ejemplo, estudiando qué hace que la radiación de los chorros cósmicos varíe rápidamente con el tiempo. También tienen la intención de hacer una investigación de laboratorio para determinar si el mismo mecanismo propuesto en esteel estudio también podría causar interrupciones y aceleración de partículas en los plasmas de fusión.
Este trabajo también fue escrito por Jonathan Zrake, ex becario de Kavli en KIPAC, quien ahora está en la Universidad de Columbia. El proyecto fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE a través de su Programa de Investigación de Carrera Temprana y un premio ALCC por simulaciones enla computadora de alto rendimiento Mira. ALCF es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Original escrito por Manuel Gnida. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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