Toen Jocelyn Bell in 1967 voor het eerst de emissies van een pulsar observeerde, de ritmische pulsen van radiogolven brachten astronomen zo in verwarring dat ze zich afvroegen of het licht signalen konden zijn die door een buitenaardse beschaving werden uitgezonden.

De sterren werken als stellaire vuurtorens, stralen van radiogolven schieten vanaf hun magnetische polen. Al meer dan een halve eeuw de oorzaak van die stralen heeft wetenschappers in verwarring gebracht. Nu vermoedt een team van onderzoekers dat ze eindelijk het verantwoordelijke mechanisme hebben geïdentificeerd. De ontdekking kan projecten helpen die afhankelijk zijn van de timing van pulsar-emissies, zoals studies van zwaartekrachtgolven.

Het voorstel van de onderzoekers begint met de sterke elektrische velden van de pulsar, die elektronen van het oppervlak van de ster scheuren en ze versnellen tot extreme energieën. De versnelde elektronen beginnen uiteindelijk hoogenergetische gammastraling uit te zenden. Deze gammastralen, wanneer geabsorbeerd door het ultrasterke magnetische veld van de pulsar, een stortvloed van extra elektronen en hun antimaterie-tegenhangers produceren, positronen.

De pasgeboren geladen deeltjes dempen de elektrische velden, waardoor ze gaan oscilleren. De wiebelende elektrische velden in aanwezigheid van de krachtige magnetische velden van de pulsar resulteren dan in elektromagnetische golven die de ruimte in ontsnappen. Met behulp van plasmasimulaties, de onderzoekers ontdekten dat deze elektromagnetische golven overeenkomen met radiogolven die worden waargenomen door pulsars.

"Het proces lijkt veel op bliksem, " zegt hoofdauteur Alexander Philippov, een associate research scientist bij het Centre for Computational Astrophysics van het Flatiron Institute in New York City. "Uit het niets, je hebt een krachtige ontlading die een wolk van elektronen en positronen produceert, en dan, als een nagloed, er zijn elektromagnetische golven."

Philippov en medewerkers Andrey Timokhin van de Universiteit van Zielona Góra in Polen en Anatoly Spitkovsky van Princeton University presenteren hun bevindingen op 15 juni in Fysieke beoordelingsbrieven .

Pulsars zijn neutronensterren, de dichte en sterk gemagnetiseerde overblijfselen van ingestorte sterren. In tegenstelling tot andere neutronensterren, pulsars draaien met duizelingwekkende snelheden, sommige draaien meer dan 700 keer per seconde. Dat draaien genereert krachtige elektrische velden.

Bij de twee magnetische polen van een pulsar, continue bundels radiogolven schieten de ruimte in. Deze radio-emissies zijn bijzonder omdat ze coherent zijn, wat betekent dat de deeltjes die ze creëren in de pas met elkaar bewegen. Terwijl de pulsar draait, de stralen zwaaien in cirkels door de lucht. Van aarde, pulsars lijken te knipperen als de stralen in en uit onze gezichtslijn bewegen. De timing van deze knipperingen is zo nauwkeurig dat ze wedijveren met de nauwkeurigheid van atoomklokken.

Al decenia, astronomen dachten na over de oorsprong van deze stralen, maar slaagden er niet in een levensvatbare verklaring te geven. Filippov, Timokhin en Spitkovsky namen een nieuwe benadering van het probleem door 2D-simulaties te maken van het plasma rond de magnetische polen van een pulsar (vorige simulaties waren slechts 1D, die geen elektromagnetische golven kunnen vertonen).

Hun simulaties repliceren hoe de elektrische velden van een pulsar geladen deeltjes versnellen. Die versnelling produceert hoogenergetische fotonen die interageren met het intense magnetische veld van de pulsar om elektron-positronparen te produceren, die vervolgens worden versneld door de elektrische velden en nog meer fotonen creëren. Dit op hol geslagen proces vult uiteindelijk het gebied met elektron-positronparen.

In de simulaties de elektron-positronparen creëren hun eigen elektrische velden die het aanvankelijke elektrische veld tegenwerken en dempen. Eventueel, het oorspronkelijke elektrische veld wordt zo zwak dat het nul bereikt en begint te oscilleren tussen negatieve en positieve waarden. Dat oscillerende elektrische veld, als het niet precies is uitgelijnd met het sterke magnetische veld van de pulsar, produceert elektromagnetische straling.

De onderzoekers zijn van plan hun simulaties op te schalen om dichter bij de echte fysica van een pulsar te komen en verder te onderzoeken hoe het proces werkt. Philippov hoopt dat hun werk uiteindelijk het onderzoek zal verbeteren dat gebaseerd is op het nauwkeurig observeren van de timing van pulsar-emissies die de aarde bereiken. Zwaartekrachtgolfastronomen, bijvoorbeeld, meet kleine fluctuaties in pulsar-timing om zwaartekrachtsgolven te detecteren die het weefsel van ruimte-tijd uitrekken en comprimeren.

"Als je begrijpt hoe de uitstoot zelf wordt geproduceerd, er is een hoop dat we ook een model kunnen maken van de fouten in de pulsarklok die kan worden gebruikt om pulsar-timingarrays te verbeteren, " zegt Philippov. Bovendien, zo'n dieper begrip zou kunnen helpen bij het oplossen van de mysterieuze bron van periodieke uitbarstingen van radiogolven, bekend als snelle radioflitsen, die afkomstig zijn van neutronensterren, hij zegt.