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纠结的磁场为宇宙粒子加速器提供动力

磁场线像碗里的面一样缠绕在一起可能是宇宙中最强大的粒子加速器的背后。这是由能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员进行的一项新的计算研究的结果,该实验室模拟了来自遥远活动星系的粒子发射。

在这些活跃星系的核心,超大质量黑洞发射高速等离子体射流 - 一种热的电离气体 - 射出数百万光年进入太空。这个过程可能是宇宙射线的来源,其能量比最强大的人造粒子加速器释放的能量高几千万倍。

“创造这些极端粒子能量的机制尚不清楚,”SLAC工作人员科学家弗雷德里科菲乌扎说,他将于明天发表在物理评论快报上的一项新研究的首席研究员。“但基于我们的模拟,我们能够提出一种新机制,可以解释这些宇宙粒子加速器的工作原理。”

该结果还可能对等离子体和核聚变研究以及新型高能粒子加速器的开发产生影响。

模拟宇宙喷射研究人员长期以来一直着迷于提升宇宙粒子能量的暴力过程。例如,他们已经收集到证据表明来自强大的恒星爆炸的冲击波可以使粒子加速并将它们送过宇宙。

科学家们还提出宇宙等离子体射流的主要驱动力可能是当等离子体中的磁场线以不同方式断裂和重新连接时释放的磁能 - 这一过程被称为“磁性重新连接”。

然而,这项新研究提出了一种不同的机制,它与在活动星系中心旋转的超大质量黑洞产生的螺旋磁场的破坏有关。

“我们知道这些领域可能会变得不稳定,”主要作者保罗·阿尔维斯说,他是一名与Fiúza合作的研究助理。“但是当磁场变形时究竟会发生什么,并且这个过程可以解释粒子如何在这些喷气机中获得巨大的能量?这就是我们想要在研究中找到的东西。”

为此,研究人员在美国能源部阿贡国家实验室的阿贡领导计算设施(ALCF)的Mira超级计算机上模拟了高达5500亿颗粒的运动 - 一种宇宙喷射的微型版本。然后,他们将结果扩大到宇宙尺寸,并将它们与天体物理观测结果进行比较。

从缠结的场线到高能粒子模拟表明,当螺旋磁场强烈扭曲时,磁场线变得高度缠结,并且在射流内部产生大的电场。实际上,电场和磁场的这种布置可以有效地将电子和质子加速到极端能量。虽然高能电子以X射线和伽马射线的形式辐射其能量,但质子可以通过射流逃逸到太空,并作为宇宙辐射到达地球大气层。

“我们看到,在此过程中释放的大部分磁能进入高能粒子,加速机制可以解释来自活动星系的高能辐射和观测到的最高宇宙射线能量,”阿尔维斯说。

黑洞物理学专家,SLAC /斯坦福大学卡夫利粒子天体物理学和宇宙学研究所(KIPAC)的前任主任Roger Blandford说,“这项仔细的分析确定了许多令人惊讶的细节。在被认为存在于远程喷气机中的条件下,可能有助于解释一些非凡的天体物理观测资料。“

接下来,研究人员希望将他们的工作与实际观察更加紧密地联系起来,例如通过研究宇宙喷射的辐射随时间的变化而变化的原因。他们还打算进行实验室研究,以确定本研究中提出的相同机制是否也会导致聚变等离子体中的破坏和粒子加速。

这项工作也是由KIPAC的前Kavli研究员Jonathan Zrake共同撰写的,他现在在哥伦比亚大学。该项目得到美国能源部科学办公室的早期职业研究计划和ALCC奖项的支持,用于模拟Mira高性能计算机。ALCF是美国能源部科学办公室的用户设施。

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