Ici, une simulation massive de super-ordinateur montre les fortes fluctuations de densité de particules qui se produisent dans les environnements extrêmement turbulents qui hébergent les trous noirs et les étoiles à neutrons. Les régions bleu foncé sont des régions à faible densité de particules, tandis que les régions jaunes sont des régions fortement surdenses. Les particules sont accélérées à des vitesses extrêmement élevées en raison des interactions avec de fortes fluctuations de turbulence dans cet environnement. Crédit :Image d'une étude publiée
Depuis des décennies, les scientifiques ont spéculé sur l'origine du rayonnement électromagnétique émis par les régions célestes qui abritent les trous noirs et les étoiles à neutrons, les objets les plus mystérieux de l'univers.
Les astrophysiciens pensent que ce rayonnement de haute énergie, qui fait briller les étoiles à neutrons et les trous noirs, est généré par des électrons qui se déplacent presque à la vitesse de la lumière, mais le processus qui accélère ces particules est resté un mystère.
Maintenant, des chercheurs de l'Université Columbia ont présenté une nouvelle explication de la physique sous-jacente à l'accélération de ces particules énergétiques.
Dans une étude publiée dans le numéro de décembre de Le Journal d'Astrophysique , les astrophysiciens Luca Comisso et Lorenzo Sironi ont utilisé des simulations massives de superordinateurs pour calculer les mécanismes qui accélèrent ces particules. Ils ont conclu que leur énergisation est le résultat de l'interaction entre le mouvement chaotique et la reconnexion de champs magnétiques super puissants.
"Turbulence et reconnexion magnétique - un processus dans lequel les lignes de champ magnétique se déchirent et se reconnectent rapidement - conspirent pour accélérer les particules, en les poussant à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, " dit Luca Comisso, chercheur postdoctoral à Columbia et premier auteur de l'étude.
"La région qui abrite les trous noirs et les étoiles à neutrons est imprégnée d'un gaz extrêmement chaud de particules chargées, et les lignes de champ magnétique entraînées par les mouvements chaotiques du gaz, conduire une reconnexion magnétique vigoureuse, " a-t-il ajouté. " C'est grâce au champ électrique induit par la reconnexion et la turbulence que les particules sont accélérées aux énergies les plus extrêmes, beaucoup plus élevé que dans les accélérateurs les plus puissants de la Terre, comme le Grand collisionneur de hadrons au CERN."
Lors de l'étude des gaz turbulents, les scientifiques ne peuvent pas prédire avec précision le mouvement chaotique. Traiter les mathématiques de la turbulence est difficile, et il constitue l'un des sept problèmes mathématiques du "Prix du millénaire". Pour relever ce défi d'un point de vue astrophysique, Comisso et Sironi ont conçu des simulations de super-ordinateur étendues - parmi les plus importantes au monde jamais réalisées dans ce domaine de recherche - pour résoudre les équations qui décrivent la turbulence dans un gaz de particules chargées.
L'étoile à neutrons en rotation rapide intégrée au centre de la nébuleuse du Crabe est la dynamo alimentant la lueur bleuâtre intérieure étrange de la nébuleuse. La lumière bleue provient des électrons tourbillonnant à presque la vitesse de la lumière autour des lignes de champ magnétique de l'étoile à neutrons. L'étoile à neutrons, le noyau ultra-dense écrasé de l'étoile éclatée, comme un phare, éjecte des faisceaux jumeaux de rayonnement qui semblent pulser 30 fois par seconde. Crédit :NASA, ESA, J. Hester (Université d'État de l'Arizona)
"Nous avons utilisé la technique la plus précise - la méthode des particules dans la cellule - pour calculer les trajectoires de centaines de milliards de particules chargées qui dictent de manière cohérente les champs électromagnétiques. Et c'est ce champ électromagnétique qui leur indique comment se déplacer, " dit Sironi, professeur adjoint d'astronomie à Columbia et chercheur principal de l'étude.
Sironi a déclaré que le point crucial de l'étude était d'identifier le rôle que joue la reconnexion magnétique dans l'environnement turbulent. Les simulations ont montré que la reconnexion est le mécanisme clé qui sélectionne les particules qui seront ensuite accélérées par les champs magnétiques turbulents jusqu'aux énergies les plus élevées.
Les simulations ont également révélé que les particules gagnaient la majeure partie de leur énergie en rebondissant de manière aléatoire à une vitesse extrêmement élevée sur les fluctuations de la turbulence. Lorsque le champ magnétique est fort, ce mécanisme d'accélération est très rapide. Mais les champs forts obligent également les particules à se déplacer selon un chemin courbe, et ce faisant, ils émettent un rayonnement électromagnétique.
"C'est bien le rayonnement émis autour des trous noirs et des étoiles à neutrons qui les fait briller, un phénomène que nous pouvons observer sur Terre, " dit Sironi.
Le but ultime, les chercheurs ont dit, est d'apprendre ce qui se passe réellement dans l'environnement extrême entourant les trous noirs et les étoiles à neutrons, ce qui pourrait apporter un éclairage supplémentaire sur la physique fondamentale et améliorer notre compréhension du fonctionnement de notre Univers.
Ils prévoient de lier encore plus leur travail aux observations, en comparant leurs prédictions avec le spectre électromagnétique émis par la Nébuleuse du Crabe, le reste brillant d'une supernova le plus intensément étudié (une étoile qui a violemment explosé en l'an 1054). Ce sera un test rigoureux pour leur explication théorique.
"Nous avons découvert un lien important entre la turbulence et la reconnexion magnétique pour accélérer les particules, mais il y a encore tant de travail à faire, " a déclaré Comisso. " Les avancées dans ce domaine de recherche sont rarement la contribution d'une poignée de scientifiques, mais ils sont le résultat d'un grand effort de collaboration."
D'autres chercheurs, tels que le groupe d'astrophysique plasma à l'Université du Colorado Boulder, apportent d'importantes contributions dans ce sens, dit Comisso.
