Introduzione

Secondo una nuova ricerca, realizzata dai ricercatori della Columbia University, le radiazioni che illuminano gli oggetti più densi nel nostro universo sono alimentate dall’interazione di turbolenza e riconnessione di campi magnetici super potenti. Lo studio è stato realizzato dagli astrofisici Luca Comisso – ricercatore post-dottorato alla Columbia e primo autore –  e Lorenzo Sironi – assistente professore di astronomia alla Columbia – e pubblicato su The Astrophysical Journal.

Una nuova spiegazione

Per decenni, gli scienziati hanno speculato sull’origine della radiazione elettromagnetica emessa dalle regioni celesti che ospitano i buchi neri e le stelle di neutroni, gli oggetti più misteriosi dell’universo. Gli astrofisici ritengono che questa radiazione ad alta energia, che fa brillare stelle di neutroni e buchi neri, sia generata da elettroni che si muovono quasi alla velocità della luce, ma il processo che accelera queste particelle è rimasto un mistero.

Ora, i ricercatori della Columbia University hanno presentato una nuova possibile spiegazione per la fisica alla base dell’accelerazione di queste particelle energetiche.

Gli astrofisici Comisso e Sironi hanno realizzato delle simulazioni su dei supercomputer per calcolare i meccanismi che accelerano queste particelle. Hanno concluso che la loro eccitazione è il risultato dell’interazione tra moto caotico e riconnessione di campi magnetici super potenti.

La turbolenza e la riconnessione magnetica – un processo in cui le linee del campo magnetico si strappano e si riconnettono rapidamente – cospirano insieme per accelerare le particelle, aumentandole a velocità che si avvicinano alla velocità della luce“, ha affermato Comisso.

La regione che ospita buchi neri e stelle di neutroni è permeata da un gas estremamente caldo di particelle cariche e le linee del campo magnetico trascinate dai movimenti caotici del gas, portano ad una energetica riconnessione magnetica“, ha aggiunto. “È grazie al campo elettrico indotto dalla riconnessione e dalla turbolenza che le particelle vengono accelerate alle energie più estreme, molto più elevate rispetto ai più potenti acceleratori sulla Terra, come il Large Hadron Collider al CERN“.

La stella di neutroni a rotazione rapida incorporata nel centro della nebulosa del granchio è la dinamo che alimenta il bagliore bluastro della nebulosa. La luce blu proviene da elettroni che ruotano a quasi la velocità della luce attorno alle linee del campo magnetico dalla stella di neutroni. La stella di neutroni, il nucleo ultra-denso della stella esplosa, come un faro, espelle due raggi gemelli di radiazione che sembrano pulsare 30 volte al secondo. Immagine: NASA, ESA, J. Hester (Arizona State University)

Problema matematico del millennio

Quando studiano gas turbolenti, gli scienziati non possono prevedere con precisione il movimento caotico. Affrontare la matematica della turbolenza è difficile e costituisce uno dei sette problemi matematici del millennio per il quale è stato posto anche un premio . The Millennium Prize Problems. Per affrontare questa sfida da un punto di vista astrofisico, Comisso e Sironi hanno progettato vaste simulazioni da realizzare su dei supercomputer – tra le più grandi al mondo mai realizzate in quest’area di ricerca – per risolvere le equazioni che descrivono la turbolenza in un gas di particelle cariche.

Abbiamo usato la tecnica più precisa – il metodo particle-in-cell” per calcolare le traiettorie di centinaia di miliardi di particelle cariche che dettano in modo coerente i campi elettromagnetici. Ed è questo campo elettromagnetico che gli dice come muoversi”, ha detto Sironi, assistente professore di astronomia alla Columbia e principale investigatore dello studio.

Il punto cruciale della ricerca

Sironi ha affermato che il punto cruciale dello studio era identificare il ruolo della riconnessione magnetica all’interno dell’ambiente turbolento. Le simulazioni hanno mostrato che la riconnessione è il meccanismo chiave che seleziona le particelle che saranno successivamente accelerate dai campi magnetici turbolenti. Hanno anche rivelato che le particelle hanno guadagnato la maggior parte della loro energia rimbalzando casualmente a una velocità estremamente elevata. Quando il campo magnetico è forte, questo meccanismo di accelerazione è molto rapido. Ma i campi forti costringono anche le particelle a viaggiare in un percorso curvo e, così facendo, emettono radiazioni elettromagnetiche.

Questa è davvero la radiazione emessa intorno ai buchi neri e alle stelle di neutroni che li fanno brillare, un fenomeno che possiamo osservare sulla Terra“, ha detto Sironi.

La ricerca continua

I due astrofisici hanno in programma di confrontare le loro previsioni con lo spettro elettromagnetico emesso dalla Nebulosa del Granchio, il residuo luminoso più studiato di una supernova (una stella che è esplosa violentemente nell’anno 1054).

L’obiettivo finale, hanno detto i ricercatori, è quello di conoscere cosa sta realmente succedendo nell’ambiente estremo che circonda i buchi neri e le stelle di neutroni, che potrebbero far luce aggiuntiva sulla fisica fondamentale e migliorare la nostra comprensione di come funziona il nostro universo.

Abbiamo capito un’importante connessione tra turbolenza e riconnessione magnetica per accelerare le particelle, ma c’è ancora tanto lavoro da fare“, ha detto Comisso. “I progressi in questo campo di ricerca raramente derivano dal contributo di una manciata di scienziati, ma sono, in genere, il risultato di un grandi collaborazioni“.

Altri ricercatori, come il gruppo Plasma Astrophysics dell’Università del Colorado Boulder, stanno dando importanti contributi in questa direzione, ha detto Comisso. 

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