Per decenni, gli scienziati hanno speculato sull’origine della radiazione elettromagnetica emessa dalle regioni celesti che ospitano buchi neri e stelle di neutroni, gli oggetti più misteriosi dell’universo.
Questa radiazione ad alta energia, che fa brillare le stelle di neutroni e i buchi neri, sembra sia generata da elettroni che si muovono quasi alla velocità della luce. Tuttavia, il processo che accelera queste particelle è ancora un mistero.
Due astrofisici italiani alla Columbia University
Due astrofisici italiani, della Columbia University (Stati Uniti), hanno trovato una nuova spiegazione. Luca Comisso e Lorenzo Sironi hanno utilizzato simulazioni con 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. L’intero studio è stato pubblicato su The Astrophysical Journal.
Come spiega Luca Comisso, “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“. Inoltre, “la regione che ospita buchi neri e stelle di neutroni è permeata da un gas estremamente caldo di particelle cariche. Le linee del campo magnetico trascinate dai moti caotici del gas, guidano una riconnessione magnetica“. “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 matematica delle turbolenze, un rompicapo da premio
Lo studio dei gas turbolenti è molto complesso e gli scienziati non riescono a prevedere con precisione il movimento caotico. Tanto vero che la matematica della turbolenza costituisce uno dei sette problemi matematici del “Millennium Prize“.
In questo contesto oggettivamente difficile, i due astrofici italiani hanno progettato simulazioni con supercomputer. Si tratta di alcune tra le maggiori mai realizzate in quest’area di ricerca. Tutto con l’obbiettivo di risolvere le equazioni che descrivono la turbolenza in un gas di particelle cariche. Tali simulazioni hanno mostrato che la riconnessione è il meccanismo chiave che seleziona le particelle che saranno successivamente accelerate dai campi magnetici turbolenti fino alle energie più elevate.
Ma hanno anche rivelato che le particelle hanno guadagnato la maggior parte della loro energia rimbalzando casualmente a una velocità estremamente elevata dalle fluttuazioni della turbolenza. 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. Proprio la radiazione emessa intorno ai buchi neri e alle stelle di neutroni, osservabile dalla Terra.
Adesso, il prossimo passo per i due ricercatori sarà quello di studiare lo spettro elettromagnetico emesso dalla Nebulosa del Granchio. Niente di meno che il residuo luminoso più intensamente studiato di una supernova.
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