Un team internazionale di scienziati che studia ciò che equivale a una "pulsar in a box" simulata al computer sta acquisendo una comprensione più dettagliata del complesso, ambiente ad alta energia intorno a stelle di neutroni rotanti, chiamate anche pulsar. Il modello traccia i percorsi delle particelle cariche nei campi magnetici ed elettrici vicino alla stella di neutroni, rivelando comportamenti che possono aiutare a spiegare come le pulsar emettono raggi gamma e impulsi radio con tempistiche ultraprecise.

"Gli sforzi per capire come le pulsar fanno ciò che fanno sono iniziati non appena sono state scoperte nel 1967, e ci stiamo ancora lavorando, " disse Gabriele Brambilla, un astrofisico del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e l'Università degli Studi di Milano che ha condotto uno studio sulla recente simulazione. "Anche con la potenza di calcolo disponibile oggi, tracciare la fisica delle particelle nell'ambiente estremo di una pulsar è una sfida considerevole".

Una pulsar è il nucleo schiacciato di una stella massiccia che ha esaurito il carburante, collassò sotto il suo stesso peso ed esplose come una supernova. La gravità costringe più massa di quella del Sole in una palla non più larga dell'isola di Manhattan a New York City, mentre aumenta anche la sua rotazione e rafforza il suo campo magnetico. Le pulsar possono ruotare migliaia di volte al secondo e esercitare i campi magnetici più forti conosciuti.

Queste caratteristiche rendono le pulsar anche potenti dinamo, con campi elettrici superforti che possono strappare particelle dalla superficie e accelerarle nello spazio.

Il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA ha rilevato raggi gamma da 216 pulsar. Le osservazioni mostrano che l'emissione di alta energia avviene più lontano dalla stella di neutroni rispetto agli impulsi radio. Ma esattamente dove e come vengono prodotti questi segnali rimane poco noto.

Vari processi fisici assicurano che la maggior parte delle particelle attorno a una pulsar siano o elettroni o le loro controparti di antimateria, positroni.

"A poche centinaia di metri sopra il polo magnetico di una pulsar, gli elettroni estratti dalla superficie possono avere energie paragonabili a quelle raggiunte dai più potenti acceleratori di particelle sulla Terra, ", ha detto Alice Harding di Goddard. "Nel 2009, Fermi ha scoperto potenti bagliori di raggi gamma dalla pulsar Nebulosa del Granchio che indicano la presenza di elettroni con energie mille volte maggiori".

Gli elettroni veloci emettono raggi gamma, la forma di luce più energetica, attraverso un processo chiamato radiazione di curvatura. Un fotone di raggi gamma può, a sua volta, interagiscono con il campo magnetico della pulsar in modo da trasformarla in una coppia di particelle, un elettrone e un positrone.

Per tracciare il comportamento e le energie di queste particelle, Brambilla, Harding e i loro colleghi hanno utilizzato un tipo relativamente nuovo di modello di pulsar chiamato simulazione "particle in cell" (PIC). Constantinos Kalapotharakos di Goddard ha guidato lo sviluppo del codice informatico del progetto. Negli ultimi cinque anni, il metodo PIC è stato applicato ad ambienti astrofisici simili da gruppi della Princeton University nel New Jersey e della Columbia University di New York.

"La tecnica PIC ci consente di esplorare la pulsar dai primi principi. Iniziamo con una rotazione, pulsar magnetizzata, iniettare elettroni e positroni sulla superficie, e monitorare come interagiscono con i campi e dove vanno, " ha detto Kalapotharakos. "Il processo è computazionalmente intensivo perché i movimenti delle particelle influenzano i campi elettrici e magnetici e i campi influenzano le particelle, e tutto si muove alla velocità della luce."

La simulazione mostra che la maggior parte degli elettroni tende a correre verso l'esterno dai poli magnetici. I positroni, d'altra parte, per lo più defluiscono a latitudini più basse, formando una struttura relativamente sottile chiamata foglio corrente. Infatti, i positroni a più alta energia qui - meno dello 0,1 percento del totale - sono in grado di produrre raggi gamma simili a quelli rilevati da Fermi, confermando i risultati di studi precedenti.

Alcune di queste particelle probabilmente vengono potenziate a enormi energie nei punti all'interno del foglio corrente in cui il campo magnetico subisce la riconnessione, un processo che converte l'energia magnetica immagazzinata in calore e accelerazione delle particelle.

Una popolazione di elettroni di media energia ha mostrato un comportamento davvero strano, spargendosi in ogni modo, anche indietro verso la pulsar.

Le particelle si muovono con il campo magnetico, che si estende all'indietro e si estende verso l'esterno mentre la pulsar ruota. La loro velocità di rotazione aumenta con l'aumentare della distanza, ma questo può durare solo così a lungo perché la materia non può viaggiare alla velocità della luce.

La distanza in cui la velocità di rotazione del plasma raggiungerebbe la velocità della luce è una caratteristica che gli astronomi chiamano cilindro di luce, e segna una regione di brusco cambiamento. Quando gli elettroni si avvicinano, improvvisamente rallentano e molti si disperdono selvaggiamente. Altri possono scivolare oltre il cilindro luminoso e uscire nello spazio.

La simulazione è stata eseguita sul supercomputer Discover presso il Center for Climate Simulation della NASA a Goddard e sul supercomputer Pleiades presso l'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley, California. Il modello in realtà traccia "macroparticelle, Ognuno dei quali rappresenta molti trilioni di elettroni o positroni. Un articolo che descrive i risultati è stato pubblicato il 9 maggio su The Astrophysical Journal.

"Finora, ci manca una teoria completa per spiegare tutte le osservazioni che abbiamo dalle stelle di neutroni. Questo ci dice che non abbiamo ancora compreso completamente l'origine, accelerazione e altre proprietà dell'ambiente del plasma attorno alla pulsar, " ha detto Brambilla. "Man mano che le simulazioni PIC crescono in complessità, possiamo aspettarci un quadro più chiaro".