"Pulsar en una caja" revela una imagen sorprendente de los alrededores de una estrella de neutrones.

"Pulsar en una caja".

Electrones (azul) y positrones (rojo) de un púlsar simulado por computadora. Estas partículas se aceleran a energías extremas en los poderosos campos magnéticos y eléctricos de un púlsar; Las pistas más claras muestran partículas con mayores energías. Cada partícula vista aquí en realidad representa billones de electrones o positrones. Un mejor conocimiento del ambiente de partículas alrededor de las estrellas de neutrones ayudará a los astrónomos a comprender cómo se comportan como los faros cósmicos, produciendo pulsos de radio y rayos gamma precisos. Crédito: Goddard Space Flight Center de la NASA.

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

"Los esfuerzos por 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, astrofísica del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, y la Universidad de Milán que dirigió un estudio de la reciente simulación. "Incluso con la potencia computacional disponible en la actualidad, el seguimiento de la física de las partículas en el entorno extremo de un púlsar es un desafío considerable".

Un púlsar es el núcleo aplastado de una estrella masiva que se quedó sin combustible, se derrumbó bajo su propio peso y explotó como una supernova. La gravedad obliga a más masa que la del Sol a 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 manejar los campos magnéticos más fuertes conocidos.

Estas características también hacen que los púlsares sean dinámicos poderosos, con campos eléctricos supercontenidos que pueden extraer partículas de la superficie y acelerarlas hacia el espacio.

Explore una nueva simulación por computadora “pulsar en una caja” que rastrea el destino de los electrones (azul) y sus parientes de antimateria, positrones (rojo), mientras interactúan con poderosos campos magnéticos y eléctricos alrededor de una estrella de neutrones. Las pistas más claras indican energías de partículas más altas. Cada partícula vista en esta visualización representa en realidad billones de electrones o positrones. Un mejor conocimiento del entorno de partículas alrededor de las estrellas de neutrones ayudará a los astrónomos a comprender cómo producen pulsos de radio y rayos gamma de tiempo preciso. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.

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

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

Imagen de autor del telescopio Fermi de la NASA. Crédito: NASA

"A solo 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 poderosos 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, a su vez, 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 célula” (PIC). Constantinos Kalapotharakos de Goddard dirigió el desarrollo del código de computadora del proyecto. En los últimos cinco años, el método PIC se ha aplicado a entornos astrofísicos similares por parte de 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 púlsar magnetizado giratorio, inyectamos electrones y positrones en la superficie, y rastreamos cómo interactúan con los campos y hacia dónde van", dijo Kalapotharakos. "El proceso es computacionalmente intensivo porque los movimientos de las partículas afectan los campos eléctrico y magnético y los campos afectan las partículas, y todo se está moviendo cerca de la velocidad de la luz".

La simulación muestra que la mayoría de los electrones tienden a correr hacia afuera desde los polos magnéticos. Por otra parte, los positrones fluyen 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, lo que confirma los resultados de estudios anteriores.

Es probable que algunas de estas partículas se conviertan en tremendas energías en puntos dentro de la hoja actual donde el campo magnético experimenta reconexión, 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.

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del cangrejo, una estrella de neutrones de rápida rotación del tamaño de Manhattan.
Crédito: NASA / CXC / ASU / J. Hester y otros, HST / ASU / J. Hester et al.

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

La distancia a la que 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, 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 del Clima de la NASA en Goddard y la supercomputadora de las Pléyades en el Centro de Investigación Ames de la NASA en Silicon Valley, California. El modelo en realidad rastrea "macropartículas", cada una de las 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 ahora, nos falta una teoría exhaustiva para explicar todas las observaciones que tenemos de las estrellas de neutrones. Eso nos dice que aún no entendemos completamente el origen, la aceleración y otras propiedades del ambiente de plasma alrededor del púlsar ", dijo Brambilla. "A medida que las simulaciones de PIC crecen en complejidad, podemos esperar una imagen más clara".

El telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA es una asociación de astrofísica y física de partículas, desarrollada en colaboración con el Departamento de Energía de los Estados Unidos y con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y los Estados Unidos.

Para más información sobre la misión Fermi de la NASA, visite:

https://www.nasa.gov/fermi

Por Francis Reddy

Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Md.

Última actualización: 10 de octubre de 2018, enlace a la publicación.

Editor: Rob Garner