新理论解释了黑洞和中子星如何发光的奥秘

嵌在蟹状星云中央的快速旋转的中子星是发电机，为星云的阴森恐怖的内部蓝色发光提供了动力。蓝光来自电子，其旋转速度几乎是来自中子星磁场线周围的光速。中子星是爆炸恒星的压碎的超致密核心，就像一座灯塔一样，它会发射出双束辐射束，看上去每秒会产生30次脉冲。

几十年来，科学家一直在推测来自天体区域发射的电磁辐射的起源，这些天体所在的黑洞和中子星是宇宙中最神秘的物体。

天体物理学家认为，这种高能辐射（使中子星和黑洞发光）是由以几乎光速运动的电子产生的，但是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的物理基础提出了新的解释。

在今天（2019年11月27日）和《天体物理学杂志》 12月刊在线发表的一项研究中，天体物理学家Luca Comisso和Lorenzo Sironi利用大规模的超级计算机模拟来计算加速这些粒子的机制。他们得出结论，它们的通电是混沌运动与超强磁场重新连接之间相互作用的结果。

在这里，大规模的超级计算机模拟显示了在包含黑洞和中子星的极端湍流环境中发生的强烈粒子密度波动。深蓝色区域是低粒子密度区域，而黄色区域是强烈超密度区域。由于在这种环境中与强烈湍流波动的相互作用，粒子被加速到极高的速度。

哥伦比亚大学博士后研究员，第一作者，作者卢卡·科米索（Luca Comisso）表示：“湍流和磁重连接是一个过程，其中磁力线会断裂并快速重连，这会合在一起以加速粒子，从而将其提升到接近光速的速度。”研究。

他补充说：“拥有黑洞和中子星的区域被带电粒子的极热气体所渗透，而磁场线由于气体的混沌运动而被拖曳，从而引发了强烈的磁重联。”“由于重新连接和湍流引起的电场，粒子被加速到最极端的能量，远比地球上最强大的加速器（例如CERN的大型强子对撞机）高。”

在研究湍流气体时，科学家无法精确预测混沌运动。处理湍流数学是困难的，它构成了七个“千年奖”数学问题之一。为了从天体物理学的角度解决这一挑战，Comisso和Sironi设计了广泛的超级计算机模拟，以解决描述带电粒子气体中湍流的方程式，这是该研究领域有史以来最大的模拟。

“我们使用最精确的技术-单元中粒子方法-计算自相一致地决定电磁场的数千亿个带电粒子的轨迹。正是这个电磁场告诉他们如何运动。”哥伦比亚天文学助理教授，这项研究的主要研究员西罗尼说。

Sironi说，这项研究的关键点是确定磁重连接在动荡的环境中所起的作用。仿真表明，重新连接是选择粒子的关键机制，这些粒子随后将被湍流磁场加速到最高能量。

模拟还显示，粒子通过以极高的速度从湍流波动中弹跳而获得了大部分能量。当磁场强时，该加速机制非常迅速。但是强场也迫使粒子沿弯曲的路径传播，这样，它们就会发射电磁辐射。

西罗尼说：“这的确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。”

研究人员说，最终目标是要了解围绕黑洞和中子星的极端环境中的真实情况，这可能会进一步揭示基本物理学，并加深我们对宇宙工作原理的理解。

他们计划将其预测结果与蟹状星云发出的电磁光谱进行比较，从而将其工作与观测结果更加牢固地联系起来。蟹状星云是研究最深入的超新星残骸（一颗恒星在1054年猛烈爆炸）。这将是对其理论解释的严格检验。

Comisso说：“我们在湍流和磁重联之间建立了重要的联系，以加速粒子，但是仍然有很多工作要做。”“在这一研究领域中的进步很少是少数科学家的贡献，但它们是大量合作努力的结果。”

Comisso说，其他研究人员，例如科罗拉多大学博尔德分校的等离子天体物理学小组，正在朝这个方向做出重要贡献。

参考：Luca Comisso和Lorenzo Sironi所著的“产生非热粒子的磁控湍流和磁重联的相互作用”，《天体物理学杂志》，2019年11月27日，DOI：
10.3847 / 1538-4357 / ab4c33