Quando le pulsar furono scoperte per la prima volta nel 1967, le loro pulsazioni ritmiche di onde radio erano un mistero. Alcuni pensavano che i loro raggi radio dovessero essere di origine extraterrestre.
Abbiamo imparato molto da allora. Sappiamo che le pulsar sono stelle di neutroni magnetizzate e rotanti. Sappiamo che ruotano molto rapidamente, con i loro poli magnetici che inviano nello spazio ampi fasci di onde radio. E se sono puntati nel modo giusto, possiamo 'vederli' come impulsi di onde radio, anche se le onde radio sono stabili. Sono un po' come i fari.
Ma l'esatto meccanismo che crea tutta quella radiazione elettromagnetica è rimasto un mistero.
Un team di ricercatori potrebbe aver capito come funziona. Ha a che fare con raggi gamma, elettroni e positroni e campi elettrici oscillanti.
Una nuova lettera dal titolo ' Origine dell'emissione radio Pulsar ” presenta questi nuovi risultati. L'autore principale dell'articolo è Alexander Philippov, ricercatore associato presso il Centro per l'astrofisica computazionale del Flatiron Institute. L'opera è pubblicata su Fisica dell'American Physical Society rivista.
Tutto inizia con la stella di neutroni al centro della pulsar.
Quando una stella massiccia, tra 10 e 29 masse solari, collassa ed esplode come una supernova, si lascia dietro una stella di neutroni. Una stella di neutroni non subisce ulteriore fusione e diventa dominata da un'intensa gravità. La potente gravità travolge i legami atomici nella stella, frantumando quasi tutto in neutroni. Ma la stella di neutroni conserva qualcosa di importante della sua stella progenitrice: la forza di rotazione.
Ora, la stella di neutroni ha molto meno volume (e massa) della sua progenitrice, e come un pattinatore artistico che tira le braccia in dentro mentre gira, la velocità di rotazione aumenta. Si chiama ' conservazione del momento angolare ”, un concetto che ricorre ripetutamente in astronomia e astrofisica.
Quindi ora abbiamo una stella di neutroni che ruota centinaia di volte al secondo. Quella rapida rotazione crea campi elettrici molto potenti, i più potenti che conosciamo, che strappano gli elettroni dalla superficie della stella. Quegli stessi campi accelerano quegli elettroni ad alte velocità.
Vista schematica di una pulsar. La sfera al centro rappresenta la stella di neutroni, le curve indicano le linee del campo magnetico, i coni sporgenti rappresentano i fasci di emissione e la linea verde rappresenta l'asse su cui ruota la stella. Poiché le linee di campo sono disallineate con l'asse di rotazione, vediamo una pulsar come una sorgente di emissione radio che lampeggia rapidamente, se i poli magnetici sono orientati verso la Terra. Credito immagine: per utente:Mysid, utente:Jm smits – Realizzato da Mysid in Inkscape, basato su en:Image:Pulsar schematic.jpg di Roy Smits., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/ w/index.php?curid=2612701
Gli elettroni sono accelerati così potentemente che emettono radiazioni gamma . Ma la pulsar ha anche un campo magnetico estremamente potente, e quel campo riassorbe i raggi gamma. Quel riassorbimento produce un altro flusso di plasma costituito da elettroni e dalle loro controparti di antimateria, i positroni. Quel plasma poi riempie la magnetosfera.
'I fotoni producono coppie che irradiano più fotoni che producono più coppie, portando a plasmi densi'.
Alice K. Harding, astrofisica, Goddard Space Flight Center della NASA.
In una pulsar, i campi magnetici sono così forti e i fotoni dei raggi gamma così energetici che la produzione di elettroni e positroni è estremamente efficiente. I fisici pensano che questo possa produrre cascate di fotoni e plasma di elettroni-positroni. 'I fotoni producono coppie che irradiano più fotoni che producono più coppie, portando a plasmi densi', scrive Alice K. Harding in un commento pubblicato in Fisica APS. Harding è un astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA.
'Questi campi sono così forti, e si attorcigliano e si riconnettono così violentemente, che essenzialmente applicano l'equazione di Einstein di E = mc2e creare materia e antimateria dall'energia', ha affermato il professor Luis Silva dell'Instituto Superior Técnico di Lisbona, in Portogallo, che non è stato coinvolto in questo studio.
Il punto blu in questa immagine segna il punto di una pulsar energetica, il nucleo magnetico rotante di una stella che è esploso in un'esplosione di supernova. NuSTAR della NASA ha scoperto la pulsar identificando il suo impulso rivelatore. Credito immagine: NASA/JPL-Caltech/SAO
Ma sia gli elettroni che i positroni sono particelle cariche e creano i propri campi elettrici che hanno un effetto di smorzamento sul campo elettrico della pulsar. Il campo elettrico della pulsar viene quindi così indebolito che inizia a oscillare tra negativo e positivo.
Quindi ora c'è una stella di neutroni, con un potente campo magnetico e un campo elettrico oscillante e oscillante. Questi due campi interagiscono e il risultato sono onde di energia elettromagnetica inviate nello spazio sotto forma di onde radio. Ciò accade solo se il campo magnetico e il campo elettrico non sono allineati.
In questo studio, i ricercatori hanno simulato questi fattori e l'energia prodotta dalle loro simulazioni corrisponde all'energia osservata dalle pulsar. In un comunicato stampa, l'autore principale Philippov confronta il processo con un fulmine, descrivendo le emissioni di onde radio come 'postluminescenza'.
'Il processo è molto simile a un fulmine', ha detto l'autore principale dello studio Alexander Philippov. 'Dal nulla, hai una potente scarica che produce una nuvola di elettroni e positroni, e poi, come bagliore, ci sono onde elettromagnetiche'. Un team di scienziati giapponesi ha scoperto che i fulmini producono raggi gamma e antimateria nel 2017 .
Come le pulsar, anche i fulmini possono produrre raggi gamma e antimateria. Scienziati giapponesi hanno scoperto questo processo nel 2017. Credito immagine: Università di Kyoto/Teruaki Enoto
C'è un avvertimento in questo studio, però. Anche se l'energia emessa dalle simulazioni del team corrisponde all'energia osservata dalle pulsar, c'è una discrepanza. Le energie delle particelle nelle simulazioni sono molto inferiori rispetto a quelle di una pulsar reale. Quindi, anche se i risultati sono promettenti, ci sono alcuni potenziali buchi.
Nel suo commento al lavoro, Harding afferma che il modello del team 'rimane molto un modello 'giocattolo' perché limita le energie delle particelle a valori significativamente inferiori a quelli di una vera pulsar'. Questa non è una condanna, solo un'osservazione sui limiti del modello e dei suoi risultati.
Harding dice che ci sono domande che devono ancora trovare una risposta. “Le onde indotte dalla coppia sono sufficientemente luminose da corrispondere alle osservazioni? Possono sfuggire alla magnetosfera della pulsar?' Sottolinea inoltre che questo nuovo lavoro non spiega altri tipi di emissioni emesse dalla famosa pulsar Crab e da alcune altre pulsar.
Un'immagine composita della Nebulosa del Granchio e del Pulsar del Granchio (punto rosso al centro) che mostra le immagini a raggi X (blu) e ottiche (rosso) sovrapposte. Questo nuovo lavoro non può spiegare alcune delle emissioni provenienti dal Crab Pulsar. Credito immagine: da ottico: NASA/HST/ASU/J. Hester et al. Raggi X: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al. – http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2002/24/image/a, dominio pubblico, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=238064
Questo lavoro è comunque un passo avanti. E gli stessi autori sanno che il loro lavoro deve essere ridimensionato più vicino ai livelli di energia del mondo reale in una pulsar affinché la loro risposta sia più solida.
Anche così com'è, il loro lavoro potrebbe creare progressi in un paio di aree. Harding è d'accordo con il team quando afferma che 'Una comprensione così profonda potrebbe aiutare a risolvere la misteriosa fonte di esplosioni periodiche di onde radio, note come esplosioni radio veloci , che emanano dalle stelle di neutroni.”
Un'illustrazione di esplosioni radio veloci nel cielo notturno sopra CHIMES, il Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment. Credito: James Josephides/Mike Dalley
Questi risultati potrebbero avere implicazioni per onda gravitazionale ricercatori, anche. Quei ricercatori usano piccole fluttuazioni nella tempistica delle pulsar per aiutare a rilevare le onde gravitazionali.
“Se capisci come viene prodotta l'emissione stessa, c'è la speranza che possiamo anche produrre un modello degli errori nell'orologio della pulsar che può essere utilizzato per migliorare array di temporizzazione pulsar ', dice Filippov.
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