Durante décadas, los científicos han especulado sobre el origen de la radiación electromagnética emitida por las regiones celestes que albergan los agujeros negros y las estrellas de neutrones, los objetos más misteriosos del universo.

Los astrofísicos creen que esta radiación de alta energía, que hace que las estrellas de neutrones y los agujeros negros brillen, es generada por electrones que se mueven a casi la velocidad de la luz, pero el proceso que acelera estas partículas sigue siendo un misterio.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Columbia han presentado una nueva explicación para la física subyacente a la aceleración de estas partículas energéticas.

En un estudio publicado en la edición de diciembre de El diario astrofísico, los astrofísicos Luca Comisso y Lorenzo Sironi emplearon simulaciones masivas de supercomputadora para calcular los mecanismos que aceleran estas partículas. Llegaron a la conclusión de que su activación es el resultado de la interacción entre el movimiento caótico y la reconexión de campos magnéticos súper fuertes.

"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", dijo Luca Comisso, científica de investigación postdoctoral en Columbia y primera autor en el estudio.

"La región que alberga los agujeros negros y las estrellas de neutrones está impregnada por un gas extremadamente caliente de partículas cargadas, y las líneas de campo magnético arrastradas por los movimientos caóticos del gas, impulsan una reconexión magnética vigorosa", agregó. "Gracias al campo eléctrico inducido por la reconexión y la turbulencia, 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".

Al estudiar el gas turbulento, los científicos no pueden predecir con precisión el movimiento caótico. Tratar con las matemáticas de la turbulencia es difícil, y constituye uno de los siete problemas matemáticos del "Premio del Milenio". Para abordar este desafío desde un punto de vista astrofísico, Comisso y Sironi diseñaron extensas simulaciones de supercomputadora, una de las más grandes del mundo en esta área de investigación, para resolver las ecuaciones que describen la turbulencia en un gas de partículas cargadas.

"Utilizamos la técnica más precisa, el método de partículas en la celda, para calcular las trayectorias de cientos de miles de millones de partículas cargadas que dictan de manera coherente los campos electromagnéticos. Y es este campo electromagnético el que les dice cómo moverse. ", dijo Sironi, profesor asistente de astronomía en Columbia y el investigador principal del estudio.

Sironi dijo que el punto crucial del estudio era identificar el papel que juega la reconexión magnética dentro del ambiente turbulento. Las simulaciones mostraron que la reconexión es el mecanismo clave que selecciona las partículas que posteriormente serán aceleradas por los campos magnéticos turbulentos hasta las energías más altas.

Las simulaciones también revelaron que las partículas ganaron la mayor parte de su energía al rebotar aleatoriamente a una velocidad extremadamente alta de las fluctuaciones de turbulencia. Cuando el campo magnético es fuerte, este mecanismo de aceleración es muy rápido. Pero los campos fuertes también obligan a las partículas a viajar en una trayectoria curva, y al hacerlo, emiten 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", dijo Sironi.

El objetivo final, dijeron los investigadores, es conocer lo que realmente está sucediendo en el entorno extremo que rodea los agujeros negros y las estrellas de neutrones, lo que podría arrojar luz adicional sobre la física fundamental y mejorar nuestra comprensión de cómo funciona nuestro Universo.

Planean conectar su trabajo aún más firmemente con las observaciones, comparando sus predicciones con el espectro electromagnético emitido por la Nebulosa del Cangrejo, el remanente brillante de una supernova más intensamente estudiado (una estrella que explotó violentamente en el año 1054). Esta será una prueba estricta para su explicación teórica.

"Descubrimos una conexión importante entre la turbulencia y la reconexión magnética para acelerar las partículas, pero aún queda mucho trabajo por hacer", dijo Comisso. "Los avances en este campo de investigación rara vez son la contribución de un puñado de científicos, pero son el resultado de un gran esfuerzo de colaboración".

Otros investigadores, como el grupo de Astrofísica de Plasma de la Universidad de Colorado Boulder, están haciendo importantes contribuciones en esta dirección, dijo Comisso.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Universidad de Colombia. Original escrito por Carla Cantor. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.

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