Os pesquisadores do SLAC descobriram um novo mecanismo que pode explicar como os jatos de plasma emergem do centro de galáxias ativas, como o mostrado nesta ilustração, acelere partículas a energias extremas. Simulações de computador (área circulada) mostraram que linhas de campo magnético emaranhadas criam campos elétricos fortes na direção dos jatos, levando a densas correntes elétricas de partículas de alta energia fluindo para longe da galáxia. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Linhas de campo magnético emaranhadas como espaguete em uma tigela podem estar por trás dos mais poderosos aceleradores de partículas do universo. Esse é o resultado de um novo estudo computacional realizado por pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, que simulou emissões de partículas de galáxias ativas distantes.
No centro dessas galáxias ativas, buracos negros supermassivos lançam jatos de plasma em alta velocidade gás ionizado - que atira milhões de anos-luz no espaço. Este processo pode ser a fonte de raios cósmicos com energias dezenas de milhões de vezes maiores do que a energia liberada no mais poderoso acelerador de partículas feito pelo homem.
"O mecanismo que cria essas energias extremas de partículas ainda não é conhecido, "disse Frederico Fiúza, cientista da equipe do SLAC, o investigador principal de um novo estudo que será publicado amanhã em Cartas de revisão física . "Mas, com base em nossas simulações, somos capazes de propor um novo mecanismo que pode potencialmente explicar como funcionam esses aceleradores de partículas cósmicas. "
Os resultados também podem ter implicações para a pesquisa de plasma e fusão nuclear e o desenvolvimento de novos aceleradores de partículas de alta energia.
Simulando jatos cósmicos Os pesquisadores há muito são fascinados pelos processos violentos que aumentam a energia das partículas cósmicas. Por exemplo, eles reuniram evidências de que ondas de choque de poderosas explosões de estrelas podem aumentar a velocidade das partículas e enviá-las por todo o universo.
Os cientistas também sugeriram que a principal força motriz dos jatos de plasma cósmico poderia ser a energia magnética liberada quando as linhas do campo magnético nos plasmas se rompem e se reconectam de uma maneira diferente - um processo conhecido como "reconexão magnética".
Contudo, o novo estudo sugere um mecanismo diferente que está ligado à interrupção do campo magnético helicoidal gerado pelo buraco negro supermassivo girando no centro de galáxias ativas.
"Sabíamos que esses campos podem se tornar instáveis, "disse o autor principal Paulo Alves, pesquisador associado que trabalha com Fiúza. "Mas o que exatamente acontece quando os campos magnéticos ficam distorcidos, e esse processo poderia explicar como as partículas ganham uma energia tremenda nesses jatos? Isso é o que queríamos descobrir em nosso estudo. "
Imagem composta da galáxia ativa Centaurus A, mostrando lóbulos e jatos estendendo-se por milhões de anos-luz no espaço. Crédito:Ótico:ESO / WFI; Submilímetro:MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al .; Raios-X:NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al.
Para fazer isso, os pesquisadores simularam os movimentos de até 550 bilhões de partículas - uma versão em miniatura de um jato cósmico - no supercomputador Mira no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) no Laboratório Nacional de Argonne do DOE. Então, eles escalaram seus resultados para dimensões cósmicas e os compararam com observações astrofísicas.
De linhas de campo emaranhadas a partículas de alta energia As simulações mostraram que quando o campo magnético helicoidal é fortemente distorcido, as linhas do campo magnético tornam-se altamente emaranhadas e um grande campo elétrico é produzido dentro do jato. Este arranjo de campos elétricos e magnéticos pode, na verdade, acelere com eficiência elétrons e prótons a energias extremas. Enquanto os elétrons de alta energia irradiam sua energia na forma de raios X e raios gama, os prótons podem escapar do jato para o espaço e atingir a atmosfera da Terra como radiação cósmica.
"Vemos que uma grande parte da energia magnética liberada no processo vai para partículas de alta energia, e o mecanismo de aceleração pode explicar tanto a radiação de alta energia proveniente de galáxias ativas quanto as energias de raios cósmicos mais altas observadas, "Disse Alves.
Em simulações de uma versão em miniatura de um jato cósmico, Os pesquisadores do SLAC descobriram que quando o campo magnético helicoidal do jato (à esquerda) é fortemente distorcido, as linhas do campo magnético tornam-se altamente emaranhadas (meio), produzindo um grande campo elétrico (direita) dentro do jato que pode acelerar com eficiência elétrons e prótons a energias extremas. Crédito:arXiv:1810.05154v1
Roger Blandford, um especialista em física de buracos negros e ex-diretor do SLAC / Instituto Kavli de Astrofísica e Cosmologia de Partículas da Universidade de Stanford (KIPAC), que não estava envolvido no estudo, disse, "Esta análise cuidadosa identifica muitos detalhes surpreendentes do que acontece sob condições consideradas presentes em jatos distantes, e pode ajudar a explicar algumas observações astrofísicas notáveis. "
Próximo, os pesquisadores querem conectar seu trabalho ainda mais firmemente com as observações reais, por exemplo, estudando o que faz a radiação dos jatos cósmicos variar rapidamente ao longo do tempo. Eles também pretendem fazer pesquisas de laboratório para determinar se o mesmo mecanismo proposto neste estudo também pode causar rupturas e aceleração de partículas em plasmas de fusão.
