Aqui, uma enorme simulação de supercomputador mostra as fortes flutuações de densidade de partículas que ocorrem em ambientes extremamente turbulentos que hospedam buracos negros e estrelas de nêutrons. Regiões azuis escuras são regiões de baixa densidade de partículas, enquanto as regiões amarelas são regiões fortemente superdensas. As partículas são aceleradas a velocidades extremamente altas devido às interações com fortes flutuações de turbulência neste ambiente. Crédito:imagem de estudo publicado
Por décadas, cientistas especularam sobre a origem da radiação eletromagnética emitida por regiões celestes que hospedam buracos negros e estrelas de nêutrons - os objetos mais misteriosos do universo.
Os astrofísicos acreditam que esta radiação de alta energia - que faz estrelas de nêutrons e buracos negros brilharem - é gerada por elétrons que se movem quase à velocidade da luz, mas o processo que acelera essas partículas permanece um mistério.
Agora, pesquisadores da Universidade de Columbia apresentaram uma nova explicação para a física subjacente à aceleração dessas partículas energéticas.
Em um estudo publicado na edição de dezembro da The Astrophysical Journal , os astrofísicos Luca Comisso e Lorenzo Sironi empregaram enormes simulações de supercomputadores para calcular os mecanismos que aceleram essas partículas. Eles concluíram que sua energização é resultado da interação entre o movimento caótico e a reconexão de campos magnéticos superfortes.
"Turbulência e reconexão magnética - um processo no qual as linhas do campo magnético se rompem e se reconectam rapidamente - conspiram juntas para acelerar as partículas, impulsionando-os a velocidades que se aproximam da velocidade da luz, "disse Luca Comisso, um cientista pesquisador de pós-doutorado na Columbia e o primeiro autor do estudo.
“A região que hospeda buracos negros e estrelas de nêutrons é permeada por um gás extremamente quente de partículas carregadas, e as linhas do campo magnético arrastadas pelos movimentos caóticos do gás, impulsionar a reconexão magnética vigorosa, ", acrescentou." É graças ao campo elétrico induzido pela reconexão e turbulência que as partículas são aceleradas às energias mais extremas, muito mais alto do que nos aceleradores mais poderosos da Terra, como o Grande Colisor de Hádrons do CERN. "
Ao estudar gás turbulento, os cientistas não podem prever o movimento caótico com precisão. Lidar com a matemática da turbulência é difícil, e constitui um dos sete problemas matemáticos do "Prêmio do Milênio". Para enfrentar este desafio do ponto de vista astrofísico, Comisso e Sironi projetaram extensas simulações em supercomputador - entre as maiores já feitas nesta área de pesquisa do mundo - para resolver as equações que descrevem a turbulência em um gás de partículas carregadas.
A estrela de nêutrons girando rapidamente embutida no centro da nebulosa do Caranguejo é o dínamo que alimenta o brilho azulado interior da nebulosa. A luz azul vem de elétrons girando quase à velocidade da luz em torno das linhas do campo magnético da estrela de nêutrons. A estrela de nêutrons, o núcleo ultradenso esmagado da estrela explodida, como um farol, ejeta feixes gêmeos de radiação que parecem pulsar 30 vezes por segundo. Crédito:NASA, ESA, J. Hester (Arizona State University)
"Usamos a técnica mais precisa - o método partícula na célula - para calcular as trajetórias de centenas de bilhões de partículas carregadas que ditam de forma autoconsistente os campos eletromagnéticos. E é esse campo eletromagnético que lhes diz como se mover, "disse Sironi, professor assistente de astronomia na Universidade de Columbia e investigador principal do estudo.
Sironi disse que o ponto crucial do estudo foi identificar o papel que a reconexão magnética desempenha no ambiente turbulento. As simulações mostraram que a reconexão é o mecanismo chave que seleciona as partículas que serão posteriormente aceleradas pelos campos magnéticos turbulentos até as energias mais altas.
As simulações também revelaram que as partículas ganharam a maior parte de sua energia saltando aleatoriamente em uma velocidade extremamente alta fora das flutuações de turbulência. Quando o campo magnético é forte, este mecanismo de aceleração é muito rápido. Mas os campos fortes também forçam as partículas a viajar em um caminho curvo, e fazendo isso, eles emitem radiação eletromagnética.
"Esta é de fato a radiação emitida em torno dos buracos negros e estrelas de nêutrons que os fazem brilhar, um fenômeno que podemos observar na Terra, "Sironi disse.
O objetivo final, os pesquisadores disseram, é saber o que realmente está acontecendo no ambiente extremo que cerca os buracos negros e estrelas de nêutrons, o que poderia lançar luz adicional sobre a física fundamental e melhorar nossa compreensão de como o nosso Universo funciona.
Eles planejam conectar seu trabalho ainda mais firmemente com as observações, comparando suas previsões com o espectro eletromagnético emitido pela Nebulosa do Caranguejo, o resquício brilhante mais intensamente estudado de uma supernova (uma estrela que explodiu violentamente no ano de 1054). Este será um teste rigoroso para sua explicação teórica.
"Descobrimos uma conexão importante entre turbulência e reconexão magnética para partículas em aceleração, mas ainda há muito trabalho a ser feito, "Comisso disse." Os avanços neste campo de pesquisa raramente são a contribuição de um punhado de cientistas, mas são o resultado de um grande esforço colaborativo. "
Outros pesquisadores, como o grupo de Plasma Astrophysics da University of Colorado Boulder, estão fazendo contribuições importantes nesse sentido, Disse Comisso.
