Een internationaal team van wetenschappers dat onderzoek doet naar wat neerkomt op een door een computer gesimuleerde "pulsar in a box" krijgt een meer gedetailleerd begrip van het complexe, hoogenergetische omgeving rond draaiende neutronensterren, ook wel pulsars genoemd. Het model volgt de paden van geladen deeltjes in magnetische en elektrische velden nabij de neutronenster, onthullende gedragingen die kunnen helpen verklaren hoe pulsars gammastraling en radiopulsen uitzenden met ultraprecieze timing.

"Inspanningen om te begrijpen hoe pulsars doen wat ze doen, begonnen zodra ze werden ontdekt in 1967, en we zijn er nog mee bezig, " zei Gabriele Brambilla, een astrofysicus bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en de Universiteit van Milaan die een onderzoek naar de recente simulatie leidde. "Zelfs met de rekenkracht die vandaag beschikbaar is, het volgen van de fysica van deeltjes in de extreme omgeving van een pulsar is een grote uitdaging."

Een pulsar is de verbrijzelde kern van een massieve ster die geen brandstof meer had, bezweek onder zijn eigen gewicht en explodeerde als een supernova. Zwaartekracht dwingt meer massa dan die van de zon in een bal die niet breder is dan Manhattan Island in New York City, terwijl het ook zijn rotatie opvoert en zijn magnetisch veld versterkt. Pulsars kunnen duizenden keren per seconde ronddraaien en beschikken over de sterkste magnetische velden die we kennen.

Deze eigenschappen maken pulsars ook tot krachtige dynamo's, met supersterke elektrische velden die deeltjes uit het oppervlak kunnen scheuren en ze de ruimte in kunnen versnellen.

NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope heeft gammastralen gedetecteerd van 216 pulsars. Waarnemingen laten zien dat de hoogenergetische emissie verder weg van de neutronenster plaatsvindt dan de radiopulsen. Maar waar en hoe deze signalen precies worden geproduceerd, blijft slecht bekend.

Verschillende fysische processen zorgen ervoor dat de meeste deeltjes rond een pulsar ofwel elektronen ofwel hun antimaterie-tegenhangers zijn, positronen.

"Slechts een paar honderd meter boven de magnetische pool van een pulsar, elektronen die van het oppervlak worden getrokken, kunnen energieën hebben die vergelijkbaar zijn met die van de krachtigste deeltjesversnellers op aarde, " zei Alice Harding van Goddard. "In 2009 Fermi ontdekte krachtige gammaflitsen van de Krabnevel-pulsar die wijzen op de aanwezigheid van elektronen met energieën die duizend keer groter zijn."

Snelle elektronen zenden gammastraling uit, de hoogste energievorm van licht, door een proces dat krommingsstraling wordt genoemd. Een gammastraalfoton kan, beurtelings, interactie met het magnetische veld van de pulsar op een manier die het transformeert in een paar deeltjes, een elektron en een positron.

Om het gedrag en de energieën van deze deeltjes te traceren, Brambilla, Harding en hun collega's gebruikten een relatief nieuw type pulsarmodel, een "particle in cell" (PIC) -simulatie. Constantinos Kalapotharakos van Goddard leidde de ontwikkeling van de computercode van het project. In de afgelopen vijf jaar, de PIC-methode is toegepast op vergelijkbare astrofysische instellingen door teams van Princeton University in New Jersey en Columbia University in New York.

"Met de PIC-techniek kunnen we de pulsar verkennen vanaf de eerste principes. We beginnen met een draaiende, gemagnetiseerde pulsar, injecteren elektronen en positronen aan het oppervlak, en bijhouden hoe ze omgaan met de velden en waar ze naartoe gaan, Kalapotharakos zei. "Het proces is rekenintensief omdat de deeltjesbewegingen de elektrische en magnetische velden beïnvloeden en de velden de deeltjes, en alles beweegt met de snelheid van het licht."

De simulatie laat zien dat de meeste elektronen de neiging hebben om vanaf de magnetische polen naar buiten te rennen. de positronen, anderzijds, stromen meestal uit op lagere breedtegraden, het vormen van een relatief dunne structuur genaamd de huidige plaat. In feite, de positronen met de hoogste energie hier - minder dan 0,1 procent van het totaal - kunnen gammastralen produceren die vergelijkbaar zijn met die welke Fermi detecteert, bevestiging van de resultaten van eerdere onderzoeken.

Sommige van deze deeltjes worden waarschijnlijk opgevoerd tot enorme energieën op punten binnen de huidige laag waar het magnetische veld opnieuw wordt verbonden, een proces dat opgeslagen magnetische energie omzet in warmte en deeltjesversnelling.

Een populatie van medium-energie-elektronen vertoonde echt vreemd gedrag, verstrooid alle kanten op - zelfs terug naar de pulsar.

De deeltjes bewegen met het magnetische veld, die terugveegt en zich naar buiten uitstrekt terwijl de pulsar draait. Hun rotatiesnelheid stijgt met toenemende afstand, maar dit kan maar zo lang doorgaan omdat materie niet met de snelheid van het licht kan reizen.

De afstand waar de rotatiesnelheid van het plasma de lichtsnelheid zou bereiken, is een kenmerk dat astronomen de lichtcilinder noemen, en het markeert een gebied van abrupte verandering. Als de elektronen het naderen, ze vertragen plotseling en velen verspreiden zich wild. Anderen kunnen langs de lichtcilinder glippen en de ruimte in.

De simulatie liep op de Discover-supercomputer van NASA's Center for Climate Simulation in Goddard en de Pleiades-supercomputer in NASA's Ames Research Center in Silicon Valley, Californië. Het model volgt eigenlijk "macrodeeltjes, " die elk vele biljoenen elektronen of positronen vertegenwoordigen. Een paper waarin de bevindingen worden beschreven, werd op 9 mei gepubliceerd in The Astrophysical Journal.

"Tot dusver, we missen een alomvattende theorie om alle waarnemingen die we hebben van neutronensterren te verklaren. Dat zegt ons dat we de oorsprong nog niet helemaal begrijpen, versnelling en andere eigenschappen van de plasmaomgeving rond de pulsar, "Zei Brambilla. "Naarmate PIC-simulaties complexer worden, we kunnen een duidelijker beeld verwachten."