Ko so leta 1967 prvič odkrili pulzarje, so bile njihove ritmične radijske valovne pulsacije skrivnost. Nekateri so mislili, da morajo biti njihovi radijski žarki nezemeljskega izvora.
Od takrat smo se veliko naučili. Vemo, da so pulsarji magnetizirane, vrteče se nevtronske zvezde. Vemo, da se vrtijo zelo hitro, pri čemer njihovi magnetni poli pošiljajo široke žarke radijskih valov v vesolje. In če so usmerjeni na pravi način, jih lahko 'vidimo' kot impulze radijskih valov, čeprav so radijski valovi stabilni. Nekako so kot svetilniki.
Toda natančen mehanizem, ki ustvarja vse to elektromagnetno sevanje, je ostal skrivnost.
Skupina raziskovalcev je morda ugotovila, kako vse deluje. To je povezano z gama žarki, elektroni in pozitroni ter nihajočimi električnimi polji.
Novo pismo z naslovom » Izvor radijske emisije Pulsar ” predstavlja te nove rezultate. Glavni avtor prispevka je Alexander Philippov, izredni raziskovalec v Centru za računalniško astrofiziko inštituta Flatiron. Delo je objavljeno v Fizika ameriškega fizikalnega društva dnevnik.
Vse se začne z nevtronsko zvezdo v središču pulzarja.
Ko se ogromna zvezda, ki ima med 10 in 29 mas Sonca, zruši in eksplodira kot supernova, za seboj pusti nevtronsko zvezdo. Nevtronska zvezda ni podvržena nadaljnjemu fuziji in postane prevladujoča intenzivna gravitacija. Močna gravitacija preplavi atomske vezi v zvezdi in skoraj vse zdrobi v nevtrone. Toda nevtronska zvezda ohrani nekaj pomembnega od svoje matične zvezde: rotacijsko silo.
Zdaj ima nevtronska zvezda veliko manj prostornine (in mase) kot njen prednik, in kot umetnostni drsalec, ki med vrtenjem potegne roke, se hitrost vrtenja poveča. Imenuje se ' ohranjanje kotne količine ', koncept, ki se večkrat pojavlja v astronomiji in astrofiziki.
Zdaj imamo nevtronsko zvezdo, ki se vrti stokrat na sekundo. Ta hitra rotacija ustvarja zelo močna električna polja, najmočnejša, kar jih poznamo, ki trgajo elektrone s površine zvezde. Ta ista polja pospešujejo te elektrone do visokih hitrosti.
Shematski pogled na pulsar. Krogla v sredini predstavlja nevtronsko zvezdo, krivulje označujejo črte magnetnega polja, štrleči stožci predstavljajo emisijske žarke in zelena črta predstavlja os, po kateri se zvezda vrti. Ker so poljske linije napačno poravnane z rotacijsko osjo, vidimo pulsar kot hitro utripajoč vir radijske emisije, če so magnetni poli usmerjeni proti Zemlji. Zasluge slike: Uporabnik:Mysid, Uporabnik:Jm smits – Izdelal Mysid v Inkscape, na podlagi en:Image:Pulsar schematic.jpg Roy Smits., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/ w/index.php?curid=2612701
Elektroni se tako močno pospešijo, da oddajajo gama sevanje . Toda pulsar ima tudi izjemno močno magnetno polje in to polje ponovno absorbira gama žarke. Ta ponovna absorpcija povzroči še eno poplavo plazme, ki jo sestavljajo elektroni in njihovi protimaterialni dvojniki, pozitroni. Ta plazma nato napolni magnetosfero.
'Fotoni proizvajajo pare, ki sevajo več fotonov, ki proizvajajo več parov, kar vodi v gosto plazmo.'
Alice K. Harding, astrofizičarka, NASA-in center za vesoljske lete Goddard.
V pulzarju so magnetna polja tako močna, fotoni gama žarkov pa tako energični, da je proizvodnja elektronov in pozitronov izjemno učinkovita. Fiziki menijo, da lahko to povzroči kaskade fotonov in elektron-pozitronske plazme. 'Fotoni proizvajajo pare, ki sevajo več fotonov, ki proizvajajo več parov, kar vodi v gosto plazmo,' piše Alice K. Harding v objavljen komentar v APS fiziki. Harding je astrofizik v Nasinem centru za vesoljske lete Goddard.
'Ta polja so tako močna in se tako močno zasukajo in ponovno povežejo, da v bistvu uporabljajo Einsteinovo enačbo E = mc2in ustvariti snov in antimaterijo iz energije,« je povedal profesor Luis Silva z Instituto Superior Técnico v Lizboni na Portugalskem, ki ni bil vključen v to študijo.
Modra pika na tej sliki označuje mesto energičnega pulsarja - magnetnega vrtečega se jedra zvezde, ki je eksplodirala v eksploziji supernove. Nasin NuSTAR je odkril pulsar z identifikacijo njegovega kontrolnega impulza. Zasluge za sliko: NASA/JPL-Caltech/SAO
Toda tako elektroni kot pozitroni so nabiti delci in ustvarjajo lastna električna polja, ki dušijo električno polje pulzarja. Pulzarjevo električno polje nato tako oslabi, da začne nihati med negativnim in pozitivnim.
Zdaj je tu nevtronska zvezda z močnim magnetnim poljem in nihajočim, nihajočim električnim poljem. Ti dve polji medsebojno delujeta, rezultat pa so valovi elektromagnetne energije, poslani v vesolje kot radijski valovi. To se zgodi le, če magnetno in električno polje nista usklajena.
V tej študiji so raziskovalci simulirali te dejavnike in energija, proizvedena z njihovimi simulacijami, se ujema z energijo, opaženo iz pulsarjev. V sporočilu za javnost glavni avtor Philippov postopek primerja s strelo in opisuje emisije radijskih valov kot 'posijaj'.
'Proces je zelo podoben streli,' je povedal glavni avtor študije Alexander Philippov. 'Od nikoder imate močan razelektritev, ki proizvaja oblak elektronov in pozitronov, nato pa se kot posijaj pojavijo elektromagnetno valovanje.' Skupina japonskih znanstvenikov je odkrila, da nastaja strela gama žarki in antimaterija v letu 2017 .
Tako kot pulsarji lahko tudi strele proizvajajo žarke gama in antimaterijo. Japonski znanstveniki so ta proces odkrili leta 2017. Image Credit: Kyoto University/Teruaki Enoto
Vendar pa obstaja opozorilo pri tej študiji. Čeprav se energija, ki jo oddajajo simulacije ekipe, ujema z energijo, opaženo iz pulsarjev, obstaja neskladje. Energije delcev v simulacijah so veliko nižje kot v dejanskem pulsarju. Torej, čeprav so rezultati obetavni, je v tem nekaj potencialnih lukenj.
V svojem komentarju na delo Hardingova pravi, da model ekipe 'ostaja zelo 'model igrače', ker omejuje energije delcev na vrednosti, ki so bistveno nižje od tistih pri resničnem pulsarju.' To ni obsodba, le opazka o omejitvah modela in njegovih rezultatih.
Harding pravi, da obstajajo vprašanja, na katera je treba še odgovoriti. 'Ali so valovi, ki jih povzročajo pari, dovolj svetli, da se ujemajo z opazovanji? Ali lahko pobegnejo iz magnetosfere pulsarja?' Prav tako poudarja, da to novo delo ne pojasnjuje drugih vrst emisij, ki jih oddaja dobro znani Crab pulsar in nekaj drugih pulsarjev.
Sestavljena slika Rakove meglice in Rakovega pulsarja (rdeča pika na sredini), ki prikazuje rentgenski (modri) in optični (rdeči) posnetki, ki se prekrivajo. To novo delo ne more razložiti nekaterih emisij, ki prihajajo iz Crab Pulsar. Zasluge slike: optično: NASA/HST/ASU/J. Hester et al. Rentgen: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al. – http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2002/24/image/a, javna domena, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=238064
To delo pa je še vedno korak naprej. In avtorji sami vedo, da je treba njihovo delo povečati bližje ravni energije v resničnem svetu na pulsarju, da bo njihov odgovor bolj robusten.
Kljub temu lahko njihovo delo ustvari napredek na nekaj področjih. Harding se strinja z ekipo, ko pravijo, da bi 'tako globlje razumevanje lahko pomagalo razrešiti skrivnostni vir periodičnih izbruhov radijskih valov, znanega kot hitri radijski izbruhi , ki izvirajo iz nevtronskih zvezd.'
Ilustracija hitrih radijskih izbruhov na nočnem nebu nad CHIMES, kanadskim eksperimentom kartiranja intenzivnosti vodika. Zasluge: James Josephides/Mike Dalley
Ti rezultati bi lahko imeli posledice za gravitacijski val tudi raziskovalci. Ti raziskovalci uporabljajo drobna nihanja v času pulzarja, da pomagajo odkriti gravitacijske valove.
'Če razumete, kako se proizvaja sama emisija, obstaja upanje, da lahko izdelamo tudi model napak v pulzarski uri, ki se lahko uporabi za izboljšanje časovni nizi pulsarjev «, pravi Philippov.
Več:
- Izjava za javnost: Zakaj pulsarji svetijo: pol stoletja stara skrivnost rešena
- Raziskovalno pismo: Izvor radijske emisije Pulsar
- Komentar: Plazemska nihanja bi lahko ustvarila svetlobno oddajanje pulzarja
- Vesolje danes: Halo okoli pulsarja bi lahko razložilo, zakaj vidimo antimaterijo, ki prihaja iz vesolja