Cuando los púlsares se descubrieron por primera vez en 1967, sus pulsaciones rítmicas de ondas de radio eran un misterio. Algunos pensaron que sus rayos de radio debían ser de origen extraterrestre.
Hemos aprendido mucho desde entonces. Sabemos que los púlsares son estrellas de neutrones en rotación magnetizadas. Sabemos que giran muy rápidamente, con sus polos magnéticos enviando haces de ondas de radio al espacio. Y si apuntan de la manera correcta, podemos 'verlos' como pulsos de ondas de radio, aunque las ondas de radio sean estables. Son como faros.
Pero el mecanismo exacto que crea toda esa radiación electromagnética sigue siendo un misterio.
Es posible que un equipo de investigadores haya descubierto cómo funciona todo. Tiene que ver con rayos gamma, electrones y positrones y campos eléctricos oscilantes.
Una nueva carta titulada ' Origen de la emisión de radio Pulsar ”Presenta estos nuevos resultados. El autor principal del artículo es Alexander Philippov, científico investigador asociado del Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron. El trabajo se publica en el Física de la Sociedad Estadounidense de Física diario.
Todo comienza con la estrella de neutrones en el centro del púlsar.
Cuando una estrella masiva, entre 10 y 29 masas solares, colapsa y explota como una supernova, deja atrás una estrella de neutrones. Una estrella de neutrones no se fusiona más y queda dominada por una gravedad intensa. La poderosa gravedad abruma los enlaces atómicos de la estrella, aplastando casi todo en neutrones. Pero la estrella de neutrones retiene algo importante de su estrella progenitora: la fuerza de rotación.
Ahora, la estrella de neutrones tiene mucho menos volumen (y masa) que su progenitor, y como un patinador artístico que jala sus brazos mientras gira, la velocidad de giro aumenta. Se llama ' conservación del momento angular , ”Un concepto que surge repetidamente en astronomía y astrofísica.
Así que ahora tenemos una estrella de neutrones que gira cientos de veces por segundo. Esa rápida rotación crea campos eléctricos muy poderosos, los más poderosos que conocemos, que arrancan electrones de la superficie de la estrella. Esos mismos campos aceleran esos electrones a altas velocidades.
Vista esquemática de un púlsar. La esfera en el medio representa la estrella de neutrones, las curvas indican las líneas del campo magnético, los conos que sobresalen representan los rayos de emisión y la línea verde representa el eje sobre el cual gira la estrella. Dado que las líneas de campo están desalineadas con el eje de rotación, vemos un púlsar como una fuente de emisión de radio que parpadea rápidamente, si los polos magnéticos están orientados hacia la Tierra. Crédito de la imagen: Por usuario: Mysid, Usuario: Jm smits - Hecho por Mysid en Inkscape, basado en en: Imagen: Pulsar schematic.jpg por Roy Smits., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/ w / index.php? curid = 2612701
Los electrones se aceleran con tanta fuerza que emiten radiación gamma . Pero el púlsar también tiene un campo magnético extremadamente poderoso, y ese campo reabsorbe los rayos gamma. Esa reabsorción produce otra inundación de plasma que consiste en electrones y sus contrapartes de antimateria, positrones. Ese plasma luego llena la magnetosfera.
'Los fotones producen pares que irradian más fotones que producen más pares, lo que conduce a plasmas densos'.
Alice K. HArding, astrofísica, Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.
En un púlsar, los campos magnéticos son tan fuertes y los fotones de rayos gamma tan enérgicos, que la producción de electrones y positrones es extremadamente eficiente. Los físicos creen que esto puede producir cascadas de fotones y plasma de electrones y positrones. 'Los fotones producen pares que irradian más fotones que producen más pares, lo que lleva a plasmas densos', escribe Alice K. Harding en un comentario publicado en Física APS. Harding es astrofísico en el Goddard Space Flight Center de la NASA.
“Estos campos son tan fuertes, y se retuercen y se reconectan tan violentamente, que esencialmente aplican la ecuación de Einstein de E = mc2y crear materia y antimateria a partir de la energía ”, dijo el profesor Luis Silva del Instituto Superior Técnico de Lisboa, Portugal, que no participó en este estudio.
El punto azul en esta imagen marca el lugar de un púlsar energético: el núcleo magnético giratorio de una estrella que estalló en una explosión de supernova. NuSTAR de la NASA descubrió el púlsar identificando su pulso revelador. Créditos de imagen: NASA / JPL-Caltech / SAO
Pero los electrones y los positrones son partículas cargadas y crean sus propios campos eléctricos que tienen un efecto amortiguador sobre el campo eléctrico del púlsar. El campo eléctrico del púlsar se debilita tanto que comienza a oscilar entre negativo y positivo.
Así que ahora hay una estrella de neutrones, con un poderoso campo magnético y un campo eléctrico oscilante y oscilante. Esos dos campos interactúan y el resultado son ondas de energía electromagnética enviadas al espacio como ondas de radio. Eso solo sucede si el campo magnético y el campo eléctrico no están alineados.
En este estudio, los investigadores simularon estos factores y la energía producida por sus simulaciones coincide con la energía observada en los púlsares. En un comunicado de prensa, el autor principal Philippov compara el proceso con un rayo, y describe las emisiones de ondas de radio como 'resplandor'.
'El proceso es muy parecido a un rayo', dijo el autor principal del estudio, Alexander Philippov. 'De la nada, tienes una descarga poderosa que produce una nube de electrones y positrones, y luego, como un resplandor, hay ondas electromagnéticas'. Un equipo de científicos japoneses descubrió que los rayos producen rayos gamma y antimateria en 2017 .
Al igual que los púlsares, los rayos también pueden producir rayos gamma y antimateria. Los científicos japoneses descubrieron este proceso en 2017. Crédito de la imagen: Universidad de Kyoto / Teruaki Enoto
Sin embargo, hay una salvedad en este estudio. Aunque la energía emitida por las simulaciones del equipo coincide con la energía observada de los púlsares, existe una discrepancia. Las energías de las partículas en las simulaciones son mucho más bajas que en un púlsar real. Entonces, aunque los resultados son prometedores, existen algunos posibles agujeros.
En su comentario sobre el trabajo, Harding dice que el modelo del equipo 'sigue siendo en gran medida un modelo de' juguete 'porque limita las energías de las partículas a valores significativamente más bajos que los de un púlsar real'. Eso no es una condena, solo una observación sobre las limitaciones del modelo y sus resultados.
Harding dice que hay preguntas que aún deben responderse. “¿Son las ondas inducidas por pares lo suficientemente brillantes para coincidir con las observaciones? ¿Pueden escapar de la magnetosfera del púlsar? También señala que este nuevo trabajo no explica otros tipos de emisiones emitidas por el conocido pulsar Crab y algunos otros púlsares.
Una imagen compuesta de la Nebulosa del Cangrejo y el Pulsar del Cangrejo (punto rojo en el medio) que muestra las imágenes de rayos X (azul) y ópticas (rojo) superpuestas. Este nuevo trabajo no puede explicar algunas de las emisiones provenientes del Crab Pulsar. Crédito de la imagen: Por óptica: NASA / HST / ASU / J. Hester y col. Rayos X: NASA / CXC / ASU / J. Hester y col. - http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2002/24/image/a, dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=238064
Sin embargo, este trabajo sigue siendo un paso adelante. Y los propios autores saben que su trabajo debe ampliarse más cerca de los niveles de energía del mundo real en un púlsar para que su respuesta sea más sólida.
Incluso en su forma actual, su trabajo podría generar avances en un par de áreas. Harding está de acuerdo con el equipo cuando dicen que “una comprensión tan profunda podría ayudar a resolver la misteriosa fuente de ráfagas periódicas de ondas de radio, conocidas como ráfagas de radio rápidas , que emanan de estrellas de neutrones '.
Una ilustración de ráfagas de radio rápidas en el cielo nocturno sobre CHIMES, el Experimento Canadiense de Mapeo de la Intensidad del Hidrógeno. Crédito: James Josephides / Mike Dalley
Estos resultados pueden tener implicaciones para onda gravitacional investigadores también. Esos investigadores utilizan pequeñas fluctuaciones en la sincronización de los púlsares para ayudar a detectar ondas gravitacionales.
'Si comprende cómo se produce la emisión en sí, hay la esperanza de que también podamos producir un modelo de los errores en el reloj púlsar que se pueda utilizar para mejorar matrices de temporización de pulsar ”, Dice Philippov.
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