Pulsar i en æske afslører overraskende billede af en neutronstjernes omgivelser

Et internationalt hold af videnskabsmænd, der studerer, hvad der svarer til en computersimuleret "pulsar in a box", får en mere detaljeret forståelse af komplekset, højenergimiljø omkring snurrende neutronstjerner, også kaldet pulsarer. Modellen sporer ladede partiklers veje i magnetiske og elektriske felter nær neutronstjernen, afslørende adfærd, der kan hjælpe med at forklare, hvordan pulsarer udsender gammastråler og radioimpulser med ultrapræcis timing.

"Bestræbelser på at forstå, hvordan pulsarer gør, hvad de gør, begyndte, så snart de blev opdaget i 1967, og vi arbejder stadig på det, " sagde Gabriele Brambilla, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og universitetet i Milano, der ledede en undersøgelse af den seneste simulering. "Selv med den tilgængelige beregningskraft i dag, at spore partiklernes fysik i det ekstreme miljø af en pulsar er en betydelig udfordring."

En pulsar er den knuste kerne af en massiv stjerne, der løb tør for brændstof, kollapsede under sin egen vægt og eksploderede som en supernova. Tyngdekraften tvinger mere masse end Solens til en kugle, der ikke er bredere end Manhattan Island i New York City, samtidig med at dens rotation øges og dens magnetfelt styrkes. Pulsarer kan snurre tusindvis af gange i sekundet og udøve de stærkeste magnetfelter, man kender.

Disse egenskaber gør også pulsarer til kraftige dynamoer, med superstærke elektriske felter, der kan rive partikler ud af overfladen og accelerere dem ud i rummet.

NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope har detekteret gammastråler fra 216 pulsarer. Observationer viser, at højenergiemissionen sker længere væk fra neutronstjernen end radioimpulserne. Men præcis hvor og hvordan disse signaler produceres er stadig dårligt kendt.

Forskellige fysiske processer sikrer, at de fleste partikler omkring en pulsar enten er elektroner eller deres antistof-modstykker, positroner.

"Bare et par hundrede yards over en pulsars magnetiske pol, elektroner trukket fra overfladen kan have energier, der kan sammenlignes med dem, der nås af de kraftigste partikelacceleratorer på Jorden, " sagde Goddards Alice Harding. "I 2009, Fermi opdagede kraftige gammastråleudbrud fra Krabbetågens pulsar, der indikerer tilstedeværelsen af ​​elektroner med energier tusind gange større."

Hurtige elektroner udsender gammastråler, den højeste energiform for lys, gennem en proces kaldet krumningsstråling. En gammastrålefoton kan, på tur, interagerer med pulsarens magnetfelt på en måde, der omdanner det til et par partikler, en elektron og en positron.

For at spore disse partiklers adfærd og energier, Brambilla, Harding og deres kolleger brugte en forholdsvis ny type pulsarmodel kaldet en "partikel i celle" (PIC) simulering. Goddards Constantinos Kalapotharakos ledede udviklingen af ​​projektets computerkode. I de sidste fem år har PIC-metoden er blevet anvendt på lignende astrofysiske omgivelser af hold ved Princeton University i New Jersey og Columbia University i New York.

"PIC-teknikken lader os udforske pulsaren fra de første principper. Vi starter med en spinning, magnetiseret pulsar, injicere elektroner og positroner ved overfladen, og spore, hvordan de interagerer med markerne, og hvor de går hen, " sagde Kalapotharakos. "Processen er beregningsintensiv, fordi partikelbevægelserne påvirker de elektriske og magnetiske felter, og felterne påvirker partiklerne, og alt bevæger sig tæt på lysets hastighed."

Simuleringen viser, at de fleste elektroner har en tendens til at løbe udad fra de magnetiske poler. Positronerne, på den anden side, flyder for det meste ud på lavere breddegrader, danner en relativt tynd struktur kaldet det nuværende ark. Faktisk, de højeste energipositroner her - mindre end 0,1 procent af totalen - er i stand til at producere gammastråler svarende til dem, Fermi detekterer, bekræfter resultaterne af tidligere undersøgelser.

Nogle af disse partikler bliver sandsynligvis boostet til enorme energier på punkter i det nuværende ark, hvor magnetfeltet genforbindes, en proces, der omdanner lagret magnetisk energi til varme og partikelacceleration.

En population af medium-energi elektroner viste virkelig mærkelig adfærd, spredes hver vej - selv tilbage mod pulsaren.

Partiklerne bevæger sig med magnetfeltet, som fejer tilbage og strækker sig udad, mens pulsaren drejer. Deres rotationshastighed stiger med stigende afstand, men dette kan kun vare så længe, ​​fordi stof ikke kan rejse med lysets hastighed.

Afstanden, hvor plasmaets rotationshastighed ville nå lyshastigheden, er et træk, som astronomer kalder lyscylinderen, og det markerer et område med brat forandring. Når elektronerne nærmer sig det, de sætter pludselig farten ned og mange spreder sig vildt. Andre kan smutte forbi lyscylinderen og ud i rummet.

Simuleringen kørte på Discover-supercomputeren ved NASA's Center for Climate Simulation ved Goddard og Pleiades-supercomputeren ved NASA's Ames Research Center i Silicon Valley, Californien. Modellen sporer faktisk "makropartikler, ", som hver repræsenterer mange billioner af elektroner eller positroner. Et papir, der beskriver resultaterne, blev offentliggjort den 9. maj i The Astrophysical Journal.

"Indtil nu, vi mangler en omfattende teori til at forklare alle de observationer, vi har fra neutronstjerner. Det fortæller os, at vi endnu ikke helt forstår oprindelsen, acceleration og andre egenskaber ved plasmamiljøet omkring pulsaren, " sagde Brambilla. "Efterhånden som PIC-simuleringer vokser i kompleksitet, vi kan forvente et klarere billede."