Hay algo de ironía en el hecho de que los objetos más oscuros del cielo … agujeros negros – puede ser responsable de algo de la luz más brillante del universo. Las simulaciones de los campos magnéticos que rodean a los agujeros negros y las estrellas de neutrones ahora han proporcionado nuevas ideas sobre su asombroso brillo.
Los astrofísicos de la Universidad de Columbia en Nueva York han desarrollado un modelo que muestra cómo los electrones que toman una montaña rusa cósmica a través de la turbulencia magnética pueden generar ondas de radiación sorprendentemente energéticas.
Aplicado al caos arremolinado que rodea objetos densos como los agujeros negros, ayuda a explicar por qué los vemos brillar con una ferocidad que hasta ahora desafía la explicación.
No hay argumento de que al menos algo de esa luminosidad es de partículas que se azotan en un frenesí caliente en el disco de gas y polvo en espiral hacia su destino.
Las partículas cargadas en esos escombros en espiral también pueden generar algunos campos magnéticos muy locos, canalizando material en chorros que expulsan partículas a años luz en el espacio, a velocidades que hacen que brillen con radiación electromagnética dura.
Pero en medio del espectro de fotones emitidos desde el espacio alrededor de algunos agujeros negros y estrellas de neutrones hay ondas que no se pueden explicar fácilmente. Son demasiado enérgicos para ser térmicos, y no parecen provenir de zonas donde se canaliza gas y polvo.
Eso no quiere decir que no haya otras formas en que la materia no pueda acelerarse a los tipos de velocidades que emitirían el nivel correcto de radiación electromagnética.
"La turbulencia y la reconexión magnética, un proceso en el cual las líneas del campo magnético se rasgan y se reconectan rápidamente, conspiran juntas para acelerar las partículas, elevándolas a velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz". dice uno de los dos investigadores del estudio, Luca Comisso.
Si piensas en el ordenadas filas de líneas que aparecen cuando espolvorea limaduras de hierro alrededor de un imán permanente, los campos magnéticos son como carriles para partículas cargadas.
Mueva esos imanes de una manera salvaje e impredecible, y esos caminos de electrones se desconectarán y se volverán a conectar entre sí, convirtiendo un paseo pausado en un paseo en un parque temático desde el infierno.
El caos de los campos magnéticos turbulentos alrededor de nuestro propio planeta ha ayudado a explicar un montón de fenómenos astrofísicos en el pasado, como dónde va la energía de los electrones de alta velocidad cuando chocar con nuestra magnetosfera.
"Es gracias al campo eléctrico inducido por la reconexión y la turbulencia que las partículas se aceleran a las energías más extremas, mucho más altas que en los aceleradores más potentes de la Tierra, como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN". dice Comisso
Dado el éxito que ha tenido la turbulencia en otros lugares, es una idea tentadora explorar cuando se trata de la física de alta energía producida por los agujeros negros. El único problema es que el retorcimiento impredecible de los campos magnéticos turbulentos no es exactamente lo más fácil de modelar matemáticamente.
Para simplificar la tarea, los investigadores desglosaron los movimientos ocupados de partículas en un plasma en unidades que pueden calcularse más fácilmente.
"Utilizamos la técnica más precisa: la método de partícula en celda – para calcular las trayectorias de cientos de miles de millones de partículas cargadas que dictan de manera coherente los campos electromagnéticos " dice el colega de Comisso, Lorenzo Sironi.
"Y es este campo electromagnético el que les dice cómo moverse".
Sus resultados mostraron cómo los electrones que se desplazan de un lado a otro a través de espaguetis magnéticos inquietos podrían generar las energías necesarias para la radiación mucho más allá de lo que el calor podría generar solo.
La mayor parte de esa energía extra, mostraron, proviene de movimientos aleatorios a velocidades extremadamente altas. A medida que las partículas cargadas se curvan, emiten potentes ondas de radiación electromagnética.
"De hecho, esta es la radiación emitida alrededor de los agujeros negros y las estrellas de neutrones que los hacen brillar, un fenómeno que podemos observar en la Tierra", dice Sironi.
Uno de los objetos más extraños en nuestro universo son los restos densos de una supernova en el centro de la Nebulosa del Cangrejo. Los físicos han sido curiosidad por su alta velocidad electrones por algún tiempo.
Los dos investigadores ahora planean aplicar sus resultados directamente al espectro de la nebulosa, en un esfuerzo por mostrar cómo este enigma podría explicarse solo por la turbulencia.
"Descubrimos una conexión importante entre la turbulencia y la reconexión magnética para acelerar las partículas, pero aún queda mucho trabajo por hacer", dice Comisso.
Esta investigación fue publicada en El diario astrofísico.