Hvorfor lyser pulsarer:Et halvt århundrede gammelt mysterium er løst

Da Jocelyn Bell første gang observerede emissionerne fra en pulsar i 1967, radiobølgernes rytmiske pulser så forvirrede astronomer, at de overvejede, om lyset kunne være signaler sendt af en fremmed civilisation.

Stjernerne fungerer som stjernefyr, skyde stråler af radiobølger fra deres magnetiske poler. I mere end et halvt århundrede har årsagen til disse bjælker har gjort forskere forvirrede. Nu formoder et team af forskere, at de endelig har identificeret den ansvarlige mekanisme. Opdagelsen kan hjælpe projekter, der er afhængige af tidspunktet for pulsaremissioner, såsom undersøgelser af gravitationsbølger.

Forskernes forslag starter med pulsarens stærke elektriske felter, som river elektroner fra stjernens overflade og fremskynder dem til ekstreme energier. De accelererede elektroner begynder til sidst at udsende højenergi gammastråler. Disse gammastråler, når den absorberes af pulsarens ultra-stærke magnetfelt, producere en syndflod af yderligere elektroner og deres antimateriale -modstykker, positroner.

De nyfødte ladede partikler dæmper de elektriske felter, får dem til at svinge. De vaklende elektriske felter i nærvær af pulsarens kraftfulde magnetfelter resulterer derefter i elektromagnetiske bølger, der slipper ud i rummet. Ved hjælp af plasmasimuleringer, forskerne fandt ud af, at disse elektromagnetiske bølger matcher radiobølger observeret fra pulsarer.

"Processen ligner meget lyn, "siger forfatterens hovedforfatter Alexander Philippov, en associeret forsker ved Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics i New York City. "Ud af ingenting, du har en kraftig udladning, der producerer en sky af elektroner og positroner, og så, som efterglød, der er elektromagnetiske bølger. "

Philippov og samarbejdspartnere Andrey Timokhin fra University of Zielona Góra i Polen og Anatoly Spitkovsky fra Princeton University præsenterer deres resultater 15. juni i Fysisk gennemgangsbreve .

Pulsarer er neutronstjerner, de tætte og stærkt magnetiserede rester af kollapsede stjerner. I modsætning til andre neutronstjerner, pulsarer snurrer i svimlende hastigheder, med nogle roterende mere end 700 gange hvert sekund. Denne spinning genererer kraftfulde elektriske felter.

Ved en pulsars to magnetiske poler, kontinuerlige stråler af radiobølger blæser ud i rummet. Disse radioemissioner er særlige ved, at de er sammenhængende, hvilket betyder, at partiklerne, der skaber dem, bevæger sig i låsetrin med hinanden. Når pulsaren roterer, bjælkerne fejer i cirkler hen over himlen. Fra Jorden, pulsarer ser ud til at blinke, når bjælkerne bevæger sig ind og ud af vores sigtelinje. Tidspunktet for disse blink er så præcist, at de konkurrerer med nøjagtigheden af ​​atomure.

I årtier, astronomer overvejede oprindelsen af ​​disse bjælker, men undlod at frembringe en levedygtig forklaring. Philippov, Timokhin og Spitkovsky tog en ny tilgang til problemet ved at oprette 2-D-simuleringer af plasmaet, der omgiver en pulsars magnetiske poler (tidligere simuleringer var kun 1D, som ikke kan vise elektromagnetiske bølger).

Deres simuleringer replikerer, hvordan en pulsars elektriske felter fremskynder ladede partikler. Denne acceleration producerer højenergifotoner, der interagerer med pulsarens intense magnetfelt for at producere elektron-positronpar, som derefter accelereres af de elektriske felter og skaber endnu flere fotoner. Denne løbende proces fylder i sidste ende regionen med elektron-positronpar.

I simuleringerne elektron-positronparene opretter deres egne elektriske felter, der modsætter sig og dæmper det oprindelige elektriske felt. Til sidst, det originale elektriske felt bliver så svagt, at det når nul og begynder at svinge mellem negative og positive værdier. Det oscillerende elektriske felt, hvis den ikke ligefrem er justeret til pulsarens stærke magnetfelt, producerer elektromagnetisk stråling.

Forskerne planlægger at skalere deres simuleringer for at komme tættere på den virkelige fysik af en pulsar og yderligere undersøge, hvordan processen fungerer. Philippov håber, at deres arbejde i sidste ende vil forbedre forskning, der er afhængig af præcis at observere tidspunktet for pulsaremissioner, der når Jorden. Gravitationsbølge -astronomer, for eksempel, måle små udsving i pulsartiming for at opdage gravitationsbølger, der strækker sig og komprimerer stoffet i rumtiden.

"Hvis du forstår, hvordan selve emissionen produceres, der er et håb om, at vi også kan producere en model af fejlene i pulsaruret, der kan bruges til at forbedre pulsar timing arrays, "Siger Philippov. Derudover er sådan en dybere forståelse kan hjælpe med at løse den mystiske kilde til periodiske udbrud af radiobølger, kendt som hurtige radioudbrud, der stammer fra neutronstjerner, han siger.