Le pulsar sono stelle di neutroni a rotazione rapida che emettono fasci di onde radio. Un nuovo studio identifica l'origine di quelle onde radio. Credit: Goddard Space Flight Center della NASA

Introduzione

Le intense emissioni radio prodotte dalle stelle che girano veloci sono causate da particelle appena nate che interagiscono con potenti campi elettromagnetici, suggeriscono nuove simulazioni al plasma. Quando Jocelyn Bell osservò per la prima volta le emissioni di una pulsar nel 1967, gli impulsi ritmici delle onde radio confondevano così tanto gli astronomi che si domandavano se la luce potesse essere un segnale inviato da una civiltà aliena.

Le stelle si comportano come fari stellari, sparando fasci di onde radio dai loro poli magnetici. Per più di mezzo secolo, la causa di quei raggi ha confuso gli scienziati. Ora un team di ricercatori sospetta di aver finalmente identificato il meccanismo responsabile. La scoperta potrebbe aiutare progetti che si basano sulla tempistica delle emissioni pulsar, come gli studi sulle onde gravitazionali.

Forti campi magnetici

La proposta dei ricercatori parte dai forti campi elettrici della pulsar, che strappano gli elettroni dalla superficie della stella e li accelerano fino a raggiungere energie estreme. Gli elettroni accelerati iniziano ad emettere raggi gamma ad alta energia. Questi raggi gamma, quando vengono assorbiti dal campo magnetico ultra forte della pulsar, producono un diluvio di elettroni supplementari e dei loro omologhi antimateria, i positroni.

Le particelle cariche appena nate smorzano i campi elettrici, facendoli oscillare. I campi elettrici oscillanti in presenza dei potenti campi magnetici della pulsar danno luogo, quindi, a onde elettromagnetiche che fuoriescono nello spazio. Utilizzando simulazioni al plasma, i ricercatori hanno scoperto che queste onde elettromagnetiche corrispondono alle onde radio osservate dalle pulsar.

La distribuzione della densità simulata del plasma elettrone-positrone vicino alla superficie di una stella di neutroni (mostrata in grigio nella parte inferiore della trama). Le regioni più rosse rappresentano una maggiore densità di coppie elettrone-positrone. A. Philippov et al. Physical Review Letters 2020

Il processo è molto simile a un fulmine“, dice l’autore principale dello studio Alexander Philippov, ricercatore associato presso il Centro di Astrofisica Computazionale del Flatiron Institute di New York City. “Dal nulla, si ha una potente scarica che produce una nuvola di elettroni e positroni, e poi, come un afterglow, ci sono onde elettromagnetiche“.
Philippov e i collaboratori Andrey Timokhin dell’Università di Zielona Góra in Polonia e Anatoly Spitkovsky dell’Università di Princeton, hanno presentano i loro risultati il 15 giugno su Physical Review Letters.

La potenza delle pulsar

Le pulsar sono stelle di neutroni, i resti densi e altamente magnetizzati delle stelle collassate. A differenza di altre stelle di neutroni, le pulsar girano a velocità vertiginose, con alcune che ruotano più di 700 volte al secondo. Quella filatura genera potenti campi elettrici.

Ai due poli magnetici di una pulsar, fasci continui di onde radio esplodono nello spazio. Queste emissioni radio sono speciali in quanto sono coerenti, il che significa che le particelle che le creano si muovono a passo di marcia l’una con l’altra. Mentre la pulsar ruota, i raggi si diffondono in cerchio nel cielo. Dalla Terra, le pulsar sembrano lampeggiare mentre i raggi entrano ed escono dalla nostra linea visiva. I tempi di questi lampeggi sono così precisi da competere con la precisione degli orologi atomici.

Nuove similuazioni 2D

Per decenni gli astronomi hanno riflettuto sulle origini di questi fasci, ma non sono riusciti a fornire una spiegazione valida. Philippov, Timokhin e Spitkovsky hanno adottato un nuovo approccio al problema creando simulazioni 2D del plasma che circonda i poli magnetici di una pulsar (le precedenti simulazioni erano solo 1D, che non può mostrare le onde elettromagnetiche).

Le loro simulazioni replicano come i campi elettrici di una pulsar accelerano le particelle cariche. Tale accelerazione produce fotoni ad alta energia che interagiscono con l’intenso campo magnetico della pulsar per produrre coppie elettrone-positrone, che vengono poi accelerate dai campi elettrici e creano ancora più fotoni. Questo processo alla fine riempie la regione di coppie elettrone-positrone.

Nelle simulazioni, le coppie elettrone-positrone creano i propri campi elettrici che si oppongono e smorzano il campo elettrico iniziale. Alla fine, il campo elettrico originale diventa così debole che raggiunge lo zero e comincia ad oscillare tra valori negativi e positivi. Quel campo elettrico oscillante, se non esattamente allineato al forte campo magnetico della pulsar, produce radiazioni elettromagnetiche.

Obiettivi

I ricercatori hanno in programma di scalare le loro simulazioni per avvicinarsi alla fisica del mondo reale di una pulsar e di sondare ulteriormente il funzionamento del processo. Philippov spera che il loro lavoro migliorerà in ultima analisi la ricerca che si basa sull’osservazione precisa dei tempi di emissione delle pulsar che raggiungono la Terra. Gli astronomi delle onde gravitazionali, ad esempio, misurano minuscole fluttuazioni del tempo delle pulsar per rilevare le onde gravitazionali che si estendono e comprimono il tessuto dello spazio-tempo.

Se si capisce come viene prodotta l’emissione stessa, c’è la speranza di poter produrre anche un modello degli errori dell’orologio a pulsar che possa essere usato per migliorare gli array di temporizzazione delle pulsar“, dice Philippov. Inoltre, una comprensione così profonda potrebbe aiutare a risolvere la misteriosa fonte delle periodiche esplosioni di onde radio, note come “fast radio bursts“, emesse dalle stelle di neutroni, dice.

La ricerca è stata sostenuta dalla NASA con la sovvenzione 80NSSC18K1099 e dalla National Science Foundation nell’ambito delle sovvenzioni NSF AST-1616632 e NSF PHY-1748958.

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