Unga forskare från ITMO University har förklarat hur neutronstjärnor genererar intensiva riktade radioemissioner. De utvecklade en modell baserad på partiklars övergångar mellan gravitationstillstånd, dvs kvanttillstånd i ett gravitationsfält. Forskarna var de första som beskrev sådana tillstånd för elektroner på ytan av neutronstjärnor. Fysikaliska parametrar som erhållits med den utvecklade modellen överensstämmer med verkliga experimentella observationer. Resultaten publiceras i The Astrophysical Journal .
Neutronstjärnor är några av de mest fantastiska astronomiska objekten eftersom deras densitet är näst efter svarta hål. Inuti neutronstjärnor, det finns inga enskilda atomer och kärnor. Dessutom, på grund av en så hög densitet, neutronstjärnor har en enorm gravitation, vilket resulterar i unika fysikaliska egenskaper såsom riktad radioemission, som spelade en stor roll i upptäckten av neutronstjärnor.
På jorden, strålningen från neutronstjärnor observerades första gången 1967 i form av periodiska signaler, inledningsvis fick forskare att antyda att det kan ha kommit från en utomjordisk civilisation. Dock, forskare fick snart reda på att strålningen från neutronstjärnor var naturligt ursprung och inte innehöll någon speciell information. Dess strikta periodicitet visade sig vara resultatet av en ovanlig förökningsväg. Neutronstjärnor sänder ut radiovågor som en smal stråle som "lyser" genom rymden som en fyr medan stjärnan roterar. Därför, radioemissionen från neutronstjärnor observeras som periodiska pulsationer.
En av de mest förbryllande frågorna i neutronstjärnornas fysik är mekanismen som genererar sådan riktad radioemission. Under de senaste femtio åren, forskare kunde inte hitta ett tydligt svar på denna fråga. Nyligen, ett team av teoretiska fysiker från ITMO University beskrev hur pulsarer genererar radioemission. De utvecklade en teoretisk modell baserad på liknande tillstånd observerade i elektroner i halvledarnanokristaller och de i gravitationsfält.
Forskare undersökte hur elektroner rör sig nära ytan av en neutronstjärna. Elektroner kan inte gå genom ytan på grund av den höga densiteten av materia inuti stjärnan. Samtidigt, elektroner attraheras till stjärnans yta av stark gravitation. Som ett resultat, partiklar "fångas" i ett tunt lager strax ovanför stjärnans yta. Enligt kvantmekanikens lagar, energin hos de fångade elektronerna kan bara ta diskreta värden. Om elektronerna faller på neutronstjärnans yta, de passerar över de diskreta gravitationstillstånden, sänder ut energi i form av radiovågstrålar.
"Omgivningen på ytan av en neutronstjärna är mycket lik den som finns i en laser, " förklarar Nikita Teplyakov, forskare vid Laboratory of Modeling and Design of Nanostructures vid ITMO University. "Det finns den så kallade befolkningsinversionen, vilket innebär att miljön är rik på högenergipartiklar. När de flyttar till de lägre energinivåerna, de avger strålning som gör att närliggande partiklar också minskar sin energi. Vi utvärderade frekvensen av elektronövergångar mellan gravitationsförhållanden på en neutronstjärna och såg att de motsvarar radiobandet. Vi misstänkte aldrig ens att detta var något som ingen hade gjort tidigare, men det visade sig att vi var, verkligen, den första."
Enligt forskarna, denna studie började i en kvantmekanikklass när de arbetade med en uppgift. "Uppgiften var ganska trivial:vi var tvungna att beskriva gravitationstillståndet på jordens yta. Men på jorden, gravitationen är inte särskilt stark, så inga intressanta effekter uppstår; det är nästan omöjligt att observera gravitationsförhållandena här. Därför föreslog vår professor Yuri Rozhdestvensky att vi skulle göra samma uppgift för en neutronstjärna med stark gravitation. När vi insåg att vi snubblade över något intressant, vi började utveckla en modell. Det visade sig att vi fick en ganska exakt beskrivning av experimentdata, " säger Tatiana Vovk, medlem i Laboratory of Modeling and Design of Nanostructures.
Författare noterar att trots dess avslöjanden, detta arbete använder sig av enkla och välkända fysikprinciper. Nämligen, radioemissionsförstärkningsmekanismen för neutronstjärnor liknar en av de konventionella lasrarna. I framtiden, forskare planerar att använda sin modell för en studie av gravitationstillstånd för andra massiva föremål i universum.
