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幾十年來，科學家一直在推測從擁有黑洞和中子星（即宇宙中最神秘的天體）的天體發出的電磁輻射的起源。
天體物理學家認為，這種高能輻射（使中子星和黑洞發光）是由以幾乎光速運動的電子產生的，但是加速這些粒子的過程仍然是個謎。
現在，哥倫比亞大學的研究人員對這些高能粒子加速的物理基礎提出了新的解釋。
在《The Astrophysical Journal》 12月刊發表的一項研究中，天體物理學家Luca Comisso和Lorenzo Sironi利用大型超級計算機模擬來計算加速這些粒子的機制。他們得出結論，粒子的通電是混沌運動與超強磁場重新連接之間相互作用的結果。
哥倫比亞大學博士後研究科學家，也是該論文的第一位作者Luca Comisso補充說：「 擁有黑洞和中子星的區域充滿了帶電粒子的極熱氣體，並且由於氣體的混沌運動而拖曳的磁力線推動了強烈的磁重聯。由重新連接和湍流引起的電場，粒子被加速到最極端的能量，遠高於地球上最強大的加速器，例如歐洲核子研究組織的大型強子對撞機。」
在研究湍流氣體時，科學家無法精確預測混沌運動。湍流的數學處理是困難的，它構成了七個「千年獎」數學問題之一。為了從天體物理學的角度解決這一挑戰，Comisso和Sironi設計了廣泛的超級計算機模擬（其中是該研究領域有史以來最大規模的模擬），以解決描述帶電粒子氣體中湍流的方程。
「我們使用最精確的技術-粒子在細胞內的方法-計算了數千億個帶電粒子的軌跡，這些軌跡自洽地決定了電磁場。正是這種電磁場告訴了他們如何運動，」哥倫比亞大學天文學助理教授，這項研究的首席研究員Sironi說。
Sironi說，這項研究的關鍵點是確定磁重聯在動蕩環境中所起的作用。仿真表明，重新連接是選擇粒子的關鍵機制，這些粒子隨後將被湍流磁場加速到最高能量。
模擬還顯示，粒子通過以極高的速度從湍流波動中彈跳而獲得了大部分能量。當磁場強時，這種加速機制非常迅速。但是強場也迫使粒子沿彎曲的路徑傳播，這樣，它們就會發射電磁輻射。
Sironi說：「這的確是黑洞和中子星周圍發出的輻射，使它們發光，這是我們在地球上可以觀察到的現象。」
研究人員說，最終目的是要了解圍繞黑洞和中子星的極端環境中的真實情況，這可能為基礎物理學提供更多的啟示，並增進我們對宇宙工作原理的理解。
他們計劃將其預測結果與蟹狀星雲發出的電磁頻譜進行比較，從而將其工作與觀測結果更加牢固地聯繫起來。蟹狀星雲是研究最深入的超新星殘骸（一顆恆星在1054年猛烈爆炸）。對於他們的理論解釋，這將是一個嚴格的考驗。
Comisso說：「我們發現湍流和磁力重新連接之間存在著重要的聯繫，以加速粒子運動，但是仍然有很多工作要做。在這一研究領域中的進步很少是某個科學家的貢獻，而是大量合作努力的結果。」
Comisso說，其他研究人員，例如科羅拉多博爾德大學的等離子體天體物理學小組，正在朝這個方向做出重要貢獻。