Quando Jocelyn Bell osservò per la prima volta le emissioni di una pulsar nel 1967, gli impulsi ritmici delle onde radio hanno così confuso gli astronomi che hanno considerato se la luce potesse essere segnali inviati da una civiltà aliena.

Le stelle agiscono 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 i progetti che si basano sui tempi delle emissioni di pulsar, come gli studi sulle onde gravitazionali.

La proposta dei ricercatori parte dai forti campi elettrici della pulsar, che strappano gli elettroni dalla superficie della stella e li accelerano a energie estreme. Gli elettroni accelerati alla fine iniziano a emettere raggi gamma ad alta energia. Questi raggi gamma, quando assorbito dal campo magnetico ultra forte della pulsar, produrre un diluvio di elettroni aggiuntivi e le loro controparti di antimateria, positroni.

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

"Il processo è molto simile a un fulmine, ", afferma l'autore principale dello studio Alexander Philippov, ricercatore associato presso il Center for Computational Astrophysics del Flatiron Institute di New York City. "Dal nulla, hai una scarica potente che produce una nuvola di elettroni e positroni, poi, come un bagliore, ci sono onde elettromagnetiche."

Philippov e i collaboratori Andrey Timokhin dell'Università di Zielona Góra in Polonia e Anatoly Spitkovsky dell'Università di Princeton presentano i loro risultati il ​​15 giugno a Lettere di revisione fisica .

Le pulsar sono stelle di neutroni, i resti densi e altamente magnetizzati di stelle collassate. A differenza di altre stelle di neutroni, le pulsar girano a velocità vertiginose, con alcuni che ruotano più di 700 volte al secondo. Quella rotazione 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 coerenti, il che significa che le particelle che le creano si muovono di pari passo l'una con l'altra. Mentre la pulsar ruota, i raggi spaziano in cerchio nel cielo. Dalla Terra, le pulsar sembrano lampeggiare mentre i raggi si muovono dentro e fuori dalla nostra linea di vista. Il tempo di questi lampeggi è così preciso da rivaleggiare con l'accuratezza degli orologi atomici.

Per decenni, gli astronomi hanno riflettuto sulle origini di questi raggi, ma non sono riusciti a fornire una spiegazione praticabile. Filippov, Timokhin e Spitkovsky hanno adottato un nuovo approccio al problema creando simulazioni 2-D del plasma che circonda i poli magnetici di una pulsar (le simulazioni precedenti 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. Quell'accelerazione produce fotoni ad alta energia che interagiscono con l'intenso campo magnetico della pulsar per produrre coppie elettrone-positrone, che vengono poi accelerati dai campi elettrici e creano ancora più fotoni. Questo processo incontrollato 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. Infine, il campo elettrico originale diventa così debole che raggiunge lo zero e inizia ad oscillare tra valori negativi e positivi. Quel campo elettrico oscillante, se non esattamente allineato al forte campo magnetico della pulsar, produce radiazioni elettromagnetiche.

I ricercatori hanno in programma di aumentare le loro simulazioni per avvicinarsi alla fisica del mondo reale di una pulsar e sondare ulteriormente come funziona il processo. Philippov spera che il loro lavoro alla fine migliorerà la ricerca che si basa sull'osservazione precisa dei tempi delle emissioni delle pulsar che raggiungono la Terra. Astronomi di onde gravitazionali, ad esempio, misurare minuscole fluttuazioni nella tempistica delle pulsar per rilevare le onde gravitazionali che allungano e comprimono il tessuto dello spazio-tempo.

"Se capisci come viene prodotta l'emissione stessa, c'è una speranza che possiamo anche produrre un modello degli errori nell'orologio pulsar che può essere usato per migliorare gli array di temporizzazione delle pulsar, " dice Philippov. Inoltre, una comprensione così profonda potrebbe aiutare a risolvere la misteriosa fonte di esplosioni periodiche di onde radio, noti come raffiche radio veloci, che emanano da stelle di neutroni, lui dice.