I giovani scienziati dell'Università ITMO hanno spiegato come le stelle di neutroni generano un'intensa emissione radio diretta. Hanno sviluppato un modello basato sulle transizioni di particelle tra stati gravitazionali, cioè stati quantistici in un campo gravitazionale. I ricercatori sono stati i primi a descrivere tali stati per gli elettroni sulla superficie delle stelle di neutroni. I parametri fisici ottenuti con il modello sviluppato sono coerenti con le reali osservazioni sperimentali. I risultati sono pubblicati in Il Giornale Astrofisico .
Le stelle di neutroni sono alcuni degli oggetti astronomici più sorprendenti poiché la loro densità è seconda solo ai buchi neri. Dentro le stelle di neutroni, non ci sono atomi e nuclei individuali. Inoltre, a causa di una densità così elevata, le stelle di neutroni hanno una gravità tremenda, che si traduce in proprietà fisiche uniche come l'emissione radio diretta, che ha giocato un ruolo importante nella scoperta delle stelle di neutroni.
Sulla terra, la radiazione delle stelle di neutroni è stata osservata per la prima volta nel 1967 sotto forma di segnali periodici, inizialmente inducendo gli scienziati a suggerire che potrebbe provenire da una civiltà extraterrestre. Però, i ricercatori scoprirono presto che la radiazione delle stelle di neutroni era di origine naturale e non conteneva alcuna informazione speciale. La sua rigorosa periodicità si è rivelata il risultato di un insolito percorso di propagazione. Le stelle di neutroni emettono onde radio come un raggio stretto che "brilla" attraverso lo spazio come un faro mentre la stella ruota. Perciò, l'emissione radio delle stelle di neutroni è osservata come pulsazioni periodiche.
Una delle domande più sconcertanti nella fisica delle stelle di neutroni è il meccanismo che genera tale emissione radio diretta. Negli ultimi cinquant'anni, gli scienziati non sono riusciti a trovare una risposta chiara a questa domanda. Recentemente, un team di fisici teorici dell'Università ITMO ha descritto come le pulsar generano emissioni radio. Hanno sviluppato un modello teorico basato sugli stati simili osservati negli elettroni nei nanocristalli semiconduttori e in quelli nei campi gravitazionali.
Gli scienziati hanno esaminato come gli elettroni si muovono vicino alla superficie di una stella di neutroni. Gli elettroni non possono attraversare la superficie a causa dell'elevata densità di materia all'interno della stella. Contemporaneamente, gli elettroni sono attratti dalla superficie della stella da una forte gravità. Di conseguenza, le particelle sono "intrappolate" in uno strato sottile appena sopra la superficie della stella. Secondo le leggi della meccanica quantistica, l'energia degli elettroni intrappolati può assumere solo valori discreti. Se gli elettroni cadono sulla superficie della stella di neutroni, passano sopra gli stati di gravità discreti, emettendo energia sotto forma di fasci di onde radio.
"L'ambiente sulla superficie di una stella di neutroni è molto simile a quello che esiste all'interno di un laser, " spiega Nikita Teplyakov, ricercatore presso il Laboratorio di Modellazione e Progettazione di Nanostrutture dell'Università ITMO. "Esiste la cosiddetta inversione della popolazione, il che significa che l'ambiente è ricco di particelle ad alta energia. Mentre si spostano verso i livelli energetici inferiori, emettono radiazioni che fanno sì che anche le particelle vicine riducano la loro energia. Abbiamo valutato la frequenza delle transizioni di elettroni tra le condizioni gravitazionali su una stella di neutroni e abbiamo visto che corrispondono alla banda radio. Non abbiamo mai nemmeno sospettato che fosse qualcosa che nessuno aveva fatto prima, ma si è scoperto che eravamo, infatti, il primo."
Secondo i ricercatori, questo studio è iniziato in una classe di meccanica quantistica mentre lavoravano su un compito. "Il compito era piuttosto banale:dovevamo descrivere lo stato gravitazionale sulla superficie della Terra. Ma sulla Terra, la gravità non è molto forte, quindi non emergono effetti interessanti; è quasi impossibile osservare le condizioni di gravità qui. Pertanto il nostro professore Yuri Rozhdestvensky ci ha suggerito di fare lo stesso compito per una stella di neutroni con una forte gravità. Quando ci siamo resi conto che ci siamo imbattuti in qualcosa di interessante, abbiamo iniziato a sviluppare un modello. Si è scoperto che abbiamo ottenuto una descrizione abbastanza accurata dei dati sperimentali, "dice Tatiana Vovk, membro del Laboratorio di Modellazione e Progettazione di Nanostrutture.
Gli autori notano che, nonostante le sue rivelazioni, questo lavoro impiega principi fisici semplici e ben noti. Vale a dire, il meccanismo di amplificazione delle emissioni radio delle stelle di neutroni è simile a quello dei laser convenzionali. Nel futuro, gli scienziati hanno in programma di utilizzare il loro modello per uno studio degli stati gravitazionali di altri oggetti massicci nell'Universo.
