@ 2019.12.13 , 11:00

把湍流理论引入黑洞高能物理学

具有讽刺意味的是,宇宙中最暗的天体——黑洞——却能制造出最明亮的宇宙射线。现在,纽约哥伦比亚大学的天体物理学家开发出一个模型,揭示了黑洞和中子星磁场发生的电磁湍流,如何使电子有如乘坐宇宙过山车一般,产生惊人的高能辐射。

以前,我们一直无法解释黑洞视界外的高能辉光。

毫无争议的是,至少其中一些亮度来自于气体和尘埃盘螺旋落入黑洞时,粒子剧烈碰撞发出的射线。

漩涡中的带电粒子也会产生非常奇异的磁场,将物质引到射流中,将粒子喷射至数光年之外。高速运动的粒子引发了电磁辐射。

但是来源于某些黑洞和中子星附近的光谱中,存在着难以解释的波形。它们能级太高,似乎也不是来自于卷入磁场射流中的气体和尘埃。

研究人员Luca Comisso表示:“湍流和磁重连——磁力线撕裂并快速重新连接的过程——结合在一起,加速了粒子,使它们接近光速。”

回忆一下高中物理课上,撒在永磁体周围的铁粉形成的的整齐线条——磁感线的直观形象。如果以狂野的、无法预测的方式移动永磁铁,所有磁感线都将断开并和周边其它断开的磁感线重连。

天体周围的磁场湍流有助于为一系列天体物理学现象给出解释,如,高速电子与我们的磁层碰撞时能量的走向。

Comisso说:“由于重连和湍流引起的电场,粒子被加速到极致,远比地球上最强大的加速器(例如CERN的大型强子对撞机)要强。”

考虑到湍流在其他方面取得的成功,将其引入因黑洞产生的高能物理现象无疑是个诱人的主意。唯一的问题是磁场湍流的不可预测性,使我们难以建立模型。

为了简化任务,研究人员将等离子体中复杂的粒子运动分解为更容易计算的单元。

Comisso的同事Lorenzo Sironi说:“我们使用最精确的技术——单元粒子方法——计算了自成一格的电磁场中数千亿个带电粒子的轨迹。”

结果表明,受到不安定的磁性意大利面条搅动的电子,具备了足够大的能量。这些额外能量大部分来自极高速的随机运动。当带电粒子变向时,它们会发出强大的电磁辐射。

“那就是黑洞和中子星周围的辐射——我们在地球上可以观察到的现象。”

宇宙中怪异天体之一——蟹状星云中央超新星的残骸。一段时间以来,物理学家一直好奇,为什么有时候它会射出超高速电子。

两位研究人员现在计划将其磁场湍流直接应用于星云光谱,试图解答这一谜团。

Comisso说:“我们发现湍流和磁重连之间存在着重要的联系,但是仍然很多基础工作要做。”

这项研究发表在《天体物理学期刊》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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