Gwiazdy neutronowe i czarne dziury mogą być gwiezdnymi zwłokami, ale należą do najbardziej aktywnych obiektów niebieskich. Wytwarzają promieniowanie o najwyższej energii, jakie kiedykolwiek zaobserwowano, a naukowcy od dawna zastanawiają się nad fizyką leżącą u podstaw procesu napędzającego ich energetyczne emisje.

Teraz, w niedawnym artykule opublikowanym w Listy z przeglądu fizycznegomagister fizyki z Dartmouth i adiunkt, zaproponowali nową teorię, która wyjaśnia, w jaki sposób energia magnetyczna może być bardzo szybko uwalniana z energią wybuchową do naładowanych cząstek w tych ekstremalnych środowiskach.

Podobne eksplozje magnetyczne mają również miejsce bliżej domu, wywołując rozbłyski słoneczne i zorzę polarną. Można je zaobserwować wszędzie tam, gdzie występują naładowane gazy, zwane plazmą – nawet w laboratorium, mówi Matthew Goodbred ’23, główny autor artykułu.

Elektrony i jony w plazmie przepływają wzdłuż linii pola magnetycznego, które zwykle pozostają rozdzielone. Kiedy jednak linie skierowane w przeciwnych kierunkach zbliżają się do siebie, mogą się łączyć i rozdzielać, uwalniając ogromną ilość energii, która przyspiesza cząstki plazmy do bardzo dużych prędkości – dobrze zbadane zjawisko znane jako ponowne połączenie magnetyczne.

Na początku tego roku współautor Yi-Hsin Liu, adiunkt fizyki i astronomii, przedstawił wyjaśnienie procesu, który przyspiesza tempo ponownego łączenia się w rozbłyskach słonecznych. Tuż po tej pracy Goodbred starał się zbadać mechanizm ponownego łączenia w niektórych z najgęstszych obiektów we wszechświecie, takich jak gwiazdy neutronowe, które powstają, gdy masywnej gwieździe zabraknie paliwa i zapadnie się.

„Środowiska astrofizyczne, szczególnie wokół gwiazd neutronowych i czarnych dziur, są wyjątkowe, ponieważ ich pola magnetyczne są tak silne” – mówi Goodbred, który latem 2020 roku rozpoczął zdalną współpracę z Liu podczas pandemii.

Ich plazmy są również różne, składają się z elektronów i ich antymaterii, które mają tę samą masę. Plazma słoneczna składa się z protonów i elektronów, które mają bardzo różne masy, więc fizyka jest inna w obu scenariuszach, mówi.

Aby opracować matematyczny opis ponownego połączenia w takich środowiskach, Goodbred przyjrzał się przepływowi energii w miejscu ponownego połączenia. Jego model przewiduje, że wspieranie odwrócenia pola magnetycznego wokół miejsca, gdy pole jest bardzo silne, jest możliwe tylko wtedy, gdy istnieje wiele szybko poruszających się cząstek, które mogą przenosić prąd elektryczny.

Nośniki prądu w plazmie odbierają większość energii, tworząc pewnego rodzaju próżnię ciśnieniową, która szybko wciąga otaczające pole magnetyczne, przygotowując w ten sposób grunt pod szybkie ponowne połączenie.

„To nowe wyprowadzenie zapewnia pierwszą teorię wywodzącą się wyłącznie z podstawowych praw fizyki, która wyjaśnia szybkie tempo ponownego łączenia w takich systemach, co zaobserwowano we wszystkich poprzednich symulacjach kinetycznych (ale tak naprawdę nie wyjaśniono)” – mówi Liu.

Przewidywania modelu zostały również poparte symulacjami, które przeprowadzili autorzy.

„Naprawdę uważam to zjawisko ponownego łączenia za bardzo fascynujące”, mówi Goodbred, „zwłaszcza w sytuacjach astrofizycznych, w których tak trudno jest sobie wyobrazić skalę i siłę tych wybuchowych wydarzeń zachodzących w całym wszechświecie”.

Goodbred, który dorastał w pobliżu Nashville w stanie Tennessee, planuje zrobić sobie rok przerwy po ukończeniu studiów i nie może się doczekać, by zaspokoić swoją miłość do spędzania czasu na świeżym powietrzu, przygotowując się do złożenia podania do szkoły wyższej i uzyskania tytułu doktora. Lubi teorię, ponieważ wydaje się kreatywna.

„Istnieje wiele możliwych ścieżek do zbadania podczas rozwiązywania problemu”, mówi, „i satysfakcjonujące jest zawężenie tych możliwości do jednej ostatecznej teorii”.