中子星和黑洞可能是恒星的尸体，但它们是最活跃的天体之一。它们产生了一些有史以来最高能量的辐射，科学家们长期以来一直对为它们的高能排放提供动力的过程背后的物理学感到困惑。
现在，在最近发表在Physical Review Letters上的一篇论文中，达特茅斯大学物理学专业的一名学生和一名助理教授提出了一种新理论，该理论解释了在这些极端环境中，磁能如何以爆炸性能量快速释放到带电粒子中。
类似的磁力爆炸也发生在离家较近的地方，引发了太阳耀斑和北极光。论文的第一作者 Matthew Goodbred '23 说，只要发现带电气体(称为等离子体)，就可以观察到它们，即使是在实验室中。
等离子体中的电子和离子沿着通常保持分离的磁场线流动。然而，当指向相反方向的线彼此靠近时，它们可以合并并分开，释放出巨大的能量，将等离子体粒子加速到非常高的速度——一种被充分研究的现象，称为磁重联。
今年早些时候，共同作者、物理学和天文学助理教授 Yi-Hsin Liu 对加速太阳耀斑重新连接速度的过程进行了解释。紧接着这项工作，Goodbred 试图研究宇宙中一些密度最大的物体重新连接的机制，例如中子星，中子星是在大质量恒星耗??尽燃料并坍塌时形成的。
“天体物理环境，特别是中子星和黑洞周围的环境，非常特别，因为它们的磁场非常强，”古德布雷德说，他于 2020 年夏季在大流行期间开始与刘远程合作。
它们的等离子体也不同，由具有相同质量的电子和反物质组成。他说，太阳等离子体由质量大不相同的质子和电子组成，因此两种情况下的物理学是不同的。
为了对这种环境中的重新连接进行数学描述，Goodbred 研究了重新连接站点的能量流。他的模型预测，只有当存在大量可以携带电流的快速移动粒子时，才能在磁场极强时支持站点周围的磁场反转。
等离子体中的载流子带走了大部分能量，产生了某种压力空隙，迅速吸收周围的磁场，从而为重新连接的快速进行奠定了基础。
“这种新的推导提供了第一个完全源自基本物理定律的理论，该定律解释了此类系统中的快速重新连接率，这在之前的所有动力学模拟中都被观察到(但并未真正解释)，”刘说。
该模型的预测也得到了作者进行的模拟的支持。
“我真的觉得这种重新连接的现象非常迷人，”古德布雷德说，“尤其是当应用于天体物理情况时，很难想象在整个宇宙中发生的这些爆炸性事件的规模和威力。”
Goodbred 在田纳西州纳什维尔附近长大，他计划毕业后休假一年，并期待在准备申请研究生院和攻读博士学位时沉迷于户外活动。他喜欢理论，因为它让人觉得很有创意。
“在解决问题时有许多可能的路径可供探索，”他说，“将这些可能性缩小为一个最终理论是令人满意的。”
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