Jonge wetenschappers van de ITMO University hebben uitgelegd hoe neutronensterren intense gerichte radiostraling genereren. Ze ontwikkelden een model gebaseerd op de overgangen van deeltjes tussen zwaartekrachtstoestanden, dat wil zeggen kwantumtoestanden in een zwaartekrachtveld. De onderzoekers waren de eersten die dergelijke toestanden voor elektronen op het oppervlak van neutronensterren beschreven. Fysische parameters verkregen met het ontwikkelde model zijn consistent met echte experimentele waarnemingen. De resultaten zijn gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift .

Neutronensterren zijn enkele van de meest verbazingwekkende astronomische objecten, omdat hun dichtheid de tweede is na zwarte gaten. Binnen neutronensterren, er zijn geen individuele atomen en kernen. Bovendien, door zo'n hoge dichtheid, neutronensterren hebben een enorme zwaartekracht, wat resulteert in unieke fysieke eigenschappen zoals gerichte radiostraling, die een belangrijke rol speelden bij de ontdekking van neutronensterren.

Op aarde, de straling van neutronensterren werd voor het eerst waargenomen in 1967 in de vorm van periodieke signalen, aanvankelijk waardoor wetenschappers suggereerden dat het mogelijk afkomstig was van een buitenaardse beschaving. Echter, onderzoekers ontdekten al snel dat de straling van neutronensterren van natuurlijke oorsprong was en geen speciale informatie bevatte. De strikte periodiciteit bleek het resultaat van een ongebruikelijke voortplantingsweg. Neutronensterren zenden radiogolven uit als een smalle straal die als een baken door de ruimte "schijnt" terwijl de ster draait. Daarom, de radio-emissie van neutronensterren wordt waargenomen als periodieke pulsaties.

Een van de meest raadselachtige vragen in de fysica van neutronensterren is het mechanisme dat dergelijke gerichte radiostraling genereert. In de afgelopen vijftig jaar is wetenschappers konden geen duidelijk antwoord op deze vraag vinden. Onlangs, een team van theoretische natuurkundigen van de ITMO University beschreef hoe pulsars radiostraling genereren. Ze ontwikkelden een theoretisch model op basis van de vergelijkbare toestanden die worden waargenomen in elektronen in halfgeleider nanokristallen en die in zwaartekrachtvelden.

Wetenschappers onderzochten hoe elektronen zich in de buurt van het oppervlak van een neutronenster bewegen. Elektronen kunnen niet door het oppervlak gaan vanwege de hoge dichtheid van materie in de ster. Tegelijkertijd, elektronen worden door sterke zwaartekracht naar het oppervlak van de ster aangetrokken. Als resultaat, deeltjes worden "opgesloten" in een dunne laag net boven het oppervlak van de ster. Volgens de wetten van de kwantummechanica, de energie van de gevangen elektronen kan alleen discrete waarden aannemen. Als de elektronen op het oppervlak van de neutronenster vallen, ze passeren de discrete zwaartekrachttoestanden, energie uitzenden in de vorm van radiogolven.

"De omgeving op het oppervlak van een neutronenster lijkt erg op die in een laser, " legt Nikita Teplyakov uit, onderzoeker aan het Laboratorium voor Modellering en Ontwerp van Nanostructuren aan de ITMO University. "Er bestaat de zogenaamde populatie-inversie, wat betekent dat de omgeving rijk is aan hoogenergetische deeltjes. Naarmate ze naar de lagere energieniveaus gaan, ze zenden straling uit waardoor nabijgelegen deeltjes ook hun energie verminderen. We evalueerden de frequentie van elektronenovergangen tussen zwaartekrachtomstandigheden op een neutronenster en zagen dat ze overeenkomen met de radioband. We hebben zelfs nooit vermoed dat dit iets was dat niemand eerder had gedaan, maar het bleek dat we inderdaad, de eerste."

Volgens de onderzoekers is deze studie begon in een klas kwantummechanica terwijl ze aan een taak werkten. "De taak was vrij triviaal:we moesten de zwaartekracht op het aardoppervlak beschrijven. Maar op aarde, zwaartekracht is niet erg sterk, er komen dus geen interessante effecten naar voren; het is bijna onmogelijk om de zwaartekracht hier waar te nemen. Daarom stelde onze professor Yuri Rozhdestvensky voor om dezelfde taak te doen voor een neutronenster met een sterke zwaartekracht. Toen we ons realiseerden dat we iets interessants tegenkwamen, we begonnen met het ontwikkelen van een model. Het bleek dat we een vrij nauwkeurige beschrijving van de experimentele gegevens kregen, " zegt Tatiana Vovk, een lid van het Laboratorium voor Modellering en Ontwerp van Nanostructuren.

Auteurs merken op dat ondanks de onthullingen, dit werk maakt gebruik van eenvoudige en bekende natuurkundige principes. Namelijk, het radio-emissieversterkingsmechanisme voor neutronensterren is vergelijkbaar met een van de conventionele lasers. In de toekomst, wetenschappers zijn van plan hun model te gebruiken voor een studie van de gravitatietoestanden van andere massieve objecten in het heelal.