黑洞和中子星如何发光的新理论

几十年来,科学家们一直在推测宇宙中最神秘的天体——黑洞和中子星所在的天体区域发出的电磁辐射的来源。

天体物理学家认为,这种使中子星和黑洞发光的高能辐射是由电子以接近光速的速度运动产生的,但加速这些粒子的过程仍然是个谜。

现在,哥伦比亚大学的研究人员对这些高能粒子加速背后的物理学原理提出了新的解释。

在《天体物理学杂志》12月刊上发表的一项研究中,天体物理学家卢卡·科米索(Luca Comisso)和洛伦佐·西罗尼(Lorenzo Sironi)利用大型超级计算机模拟来计算加速这些粒子的机制。他们得出的结论是,它们的激发是混沌运动和超强磁场重连相互作用的结果。

哥伦比亚大学博士后研究科学家、该研究的第一作者Comisso说:“紊流和磁力线重新连接的过程——磁力线撕裂并迅速重新连接的过程——共同加速粒子,使它们达到接近光速的速度。”

“黑洞和中子星所在的区域被一种极热的带电粒子气体所渗透,这种气体的混乱运动所拖曳的磁力线,推动了强有力的磁重连,”他补充道。“正是由于重新连接和湍流产生的电场,粒子才被加速到最极端的能量,远远高于地球上最强大的加速器,比如欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)。”

在研究湍流气体时,科学家们不能准确地预测混沌运动。湍流的数学处理是困难的,它是七个“千年奖”数学问题之一。为了从天体物理学的角度应对这一挑战,Comisso和Sironi设计了大量的超级计算机模拟来解决描述带电粒子气体中的乱流的方程。

“我们使用了最精确的技术——细胞内粒子法——来计算数千亿带电粒子的轨迹,这些粒子自洽地控制着电磁场。正是这个电磁场告诉它们如何移动,”哥伦比亚大学天文学助理教授、这项研究的首席研究员西罗尼说。

Sironi说,研究的关键是确定磁场重联在湍流环境中的作用,模拟表明重联是选择颗粒的关键机制,颗粒随后会被湍流磁场加速。他们还发现,粒子的大部分能量是通过以极高的速度随机弹跳而获得的。当磁场强时,这种加速机制非常迅速。但强磁场也会迫使粒子沿弯曲路径运动,这样它们就会发射电磁辐射。

Sironi说:“这确实是黑洞和中子星周围发出的辐射使它们发光,这是我们在地球上可以观察到的现象。”

研究人员表示,他们的最终目标是了解黑洞和中子星周围的极端环境中到底发生了什么,这可能会为基础物理学提供更多的信息,并提高我们对宇宙运行方式的理解。

他们计划将他们的预测与蟹状星云发出的电磁波谱进行比较,从而将他们的工作更紧密地联系起来。蟹状星云是被研究得最透彻的超新星残骸(一颗在1054年剧烈爆炸的恒星)。

Comisso说:“我们发现了加速粒子的乱流和磁重联之间的重要联系,但还有很多工作要做。”“这一领域的研究进展很少是少数科学家的贡献,但它们是大规模合作努力的结果。”

科米索说,其他研究人员,如科罗拉多大学博尔德分校的等离子体天体物理学小组,正在这个方向上做出重要贡献。

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