Un equipo internacional de científicos que estudian lo que equivale a un "pulsar en una caja" simulado por computadora está obteniendo una comprensión más detallada del complejo, entorno de alta energía alrededor de estrellas de neutrones giratorias, también llamados púlsares. El modelo traza las trayectorias de las partículas cargadas en campos eléctricos y magnéticos cerca de la estrella de neutrones, revelando comportamientos que pueden ayudar a explicar cómo los púlsares emiten rayos gamma y pulsos de radio con una sincronización ultraprecisa.

"Los esfuerzos para comprender cómo los púlsares hacen lo que hacen comenzaron tan pronto como se descubrieron en 1967, y todavía estamos trabajando en ello, "dijo Gabriele Brambilla, un astrofísico en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y la Universidad de Milán, que dirigió un estudio de la simulación reciente. "Incluso con la potencia computacional disponible en la actualidad, rastrear la física de las partículas en el entorno extremo de un púlsar es un desafío considerable ".

Un púlsar es el núcleo triturado de una estrella masiva que se quedó sin combustible, colapsó por su propio peso y explotó como una supernova. La gravedad fuerza a más masa que la del Sol a formar una bola no más ancha que la isla de Manhattan en la ciudad de Nueva York, al mismo tiempo que acelera su rotación y fortalece su campo magnético. Los púlsares pueden girar miles de veces por segundo y esgrimir los campos magnéticos más fuertes que se conocen.

Estas características también hacen que los púlsares sean potentes dínamos, con campos eléctricos superfuertes que pueden arrancar partículas de la superficie y acelerarlas hacia el espacio.

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA ha detectado rayos gamma de 216 púlsares. Las observaciones muestran que la emisión de alta energía se produce más lejos de la estrella de neutrones que los pulsos de radio. Pero se desconoce exactamente dónde y cómo se producen estas señales.

Varios procesos físicos aseguran que la mayoría de las partículas alrededor de un púlsar sean electrones o sus contrapartes de antimateria, positrones.

"A sólo unos cientos de metros por encima del polo magnético de un púlsar, los electrones extraídos de la superficie pueden tener energías comparables a las alcanzadas por los aceleradores de partículas más potentes de la Tierra, "dijo Alice Harding de Goddard." En 2009, Fermi descubrió poderosas llamaradas de rayos gamma del púlsar de la Nebulosa del Cangrejo que indican la presencia de electrones con energías mil veces mayores ".

Los electrones rápidos emiten rayos gamma, la forma de luz de mayor energía, a través de un proceso llamado radiación de curvatura. Un fotón de rayos gamma puede, Sucesivamente, interactuar con el campo magnético del púlsar de una manera que lo transforma en un par de partículas, un electrón y un positrón.

Para rastrear el comportamiento y las energías de estas partículas, Brambilla, Harding y sus colegas utilizaron un tipo comparativamente nuevo de modelo de púlsar llamado simulación de "partícula en la celda" (PIC). Constantinos Kalapotharakos de Goddard dirigió el desarrollo del código informático del proyecto. En los últimos cinco años, El método PIC ha sido aplicado a escenarios astrofísicos similares por equipos de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey y la Universidad de Columbia en Nueva York.

"La técnica PIC nos permite explorar el púlsar desde los primeros principios. Comenzamos con un giro, púlsar magnetizado, inyectar electrones y positrones en la superficie, y rastrear cómo interactúan con los campos y adónde van, "Kalapotharakos dijo." El proceso es computacionalmente intensivo porque los movimientos de las partículas afectan los campos eléctricos y magnéticos y los campos afectan las partículas, y todo se mueve cerca de la velocidad de la luz ".

La simulación muestra que la mayoría de los electrones tienden a salir corriendo de los polos magnéticos. Los positrones, por otra parte, fluyen principalmente en latitudes más bajas, formando una estructura relativamente delgada llamada hoja actual. De hecho, los positrones de mayor energía aquí, menos del 0.1 por ciento del total, son capaces de producir rayos gamma similares a los que detecta Fermi, confirmando los resultados de estudios anteriores.

Es probable que algunas de estas partículas sean impulsadas a tremendas energías en puntos dentro de la hoja de corriente donde el campo magnético se reconecta. un proceso que convierte la energía magnética almacenada en calor y aceleración de partículas.

Una población de electrones de energía media mostró un comportamiento realmente extraño, dispersándose en todas direcciones, incluso de regreso hacia el púlsar.

Las partículas se mueven con el campo magnético, que se desplaza hacia atrás y se extiende hacia afuera cuando el púlsar gira. Su velocidad de rotación aumenta al aumentar la distancia, pero esto solo puede durar tanto tiempo porque la materia no puede viajar a la velocidad de la luz.

La distancia donde la velocidad de rotación del plasma alcanzaría la velocidad de la luz es una característica que los astrónomos llaman cilindro de luz, y marca una región de cambio abrupto. A medida que los electrones se acercan a él, de repente disminuyen la velocidad y muchos se dispersan salvajemente. Otros pueden deslizarse más allá del cilindro de luz y salir al espacio.

La simulación se ejecutó en la supercomputadora Discover en el Centro de Simulación Climática de la NASA en Goddard y en la supercomputadora Pléyades en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley. California. El modelo en realidad rastrea "macropartículas, "Cada uno de los cuales representa muchos billones de electrones o positrones. Un artículo que describe los hallazgos se publicó el 9 de mayo en The Astrophysical Journal.

"Hasta aquí, carecemos de una teoría completa para explicar todas las observaciones que tenemos de las estrellas de neutrones. Eso nos dice que aún no entendemos completamente el origen, aceleración y otras propiedades del entorno del plasma alrededor del púlsar, ", Dijo Brambilla." A medida que las simulaciones PIC aumentan en complejidad, podemos esperar una imagen más clara ".