Ett internationellt team av forskare som studerar vad som motsvarar en datasimulerad "pulsar i en låda" får en mer detaljerad förståelse för komplexet, hög energi miljö runt snurrande neutronstjärnor, kallas även pulsarer. Modellen spårar laddade partiklarnas vägar i magnetiska och elektriska fält nära neutronstjärnan, avslöjande beteenden som kan hjälpa till att förklara hur pulsarer avger gammastrålning och radiopulser med ultraprecis timing.

"Försök att förstå hur pulsarer gör vad de gör började så snart de upptäcktes 1967, och vi arbetar fortfarande på det, "sa Gabriele Brambilla, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och University of Milan som ledde en studie av den senaste simuleringen. "Även med den beräkningskraft som finns tillgänglig idag, att spåra partiklarnas fysik i en pulsars extrema miljö är en stor utmaning. "

En pulsar är den krossade kärnan i en massiv stjärna som tog slut på bränsle, kollapsade under sin egen vikt och exploderade som en supernova. Tyngdkraften tvingar mer massa än solens till en boll som inte är bredare än Manhattan Island i New York City samtidigt som den förnyar sin rotation och stärker dess magnetfält. Pulsarer kan snurra tusentals gånger i sekunden och använda de starkaste magnetfält som är kända.

Dessa egenskaper gör också pulsarer till kraftfulla dynamos, med superstarka elektriska fält som kan slita ut partiklar från ytan och påskynda dem i rymden.

NASA:s rymdteleskop Fermi gammastrålning har upptäckt gammastrålning från 216 pulsarer. Observationer visar att hög energiutsläpp sker längre bort från neutronstjärnan än radiopulserna. Men exakt var och hur dessa signaler produceras förblir dåligt känt.

Olika fysiska processer säkerställer att de flesta partiklarna runt en pulsar antingen är elektroner eller deras antimateria -motsvarigheter, positroner.

"Bara några hundra meter över en pulsars magnetpol, elektroner som dras från ytan kan ha energier som är jämförbara med de som nås av de mest kraftfulla partikelacceleratorer på jorden, "sa Goddards Alice Harding." 2009, Fermi upptäckte kraftfulla gammastrålningsblossar från krabbanebulospulsaren som indikerar närvaron av elektroner med energier tusen gånger större. "

Snabba elektroner avger gammastrålning, ljusets högsta energiform, genom en process som kallas krökningstrålning. En gammastrålefoton kan, i tur och ordning, interagera med pulsarens magnetfält på ett sätt som omvandlar det till ett par partiklar, en elektron och en positron.

För att spåra beteendet och energierna hos dessa partiklar, Brambilla, Harding och deras kollegor använde en relativt ny typ av pulsarmodell som kallas "partikel i cell" (PIC) simulering. Goddards Constantinos Kalapotharakos ledde utvecklingen av projektets datorkod. Under de senaste fem åren har PIC -metoden har tillämpats på liknande astrofysiska miljöer av team vid Princeton University i New Jersey och Columbia University i New York.

"PIC -tekniken låter oss utforska pulsaren från de första principerna. Vi börjar med en snurrande, magnetiserad pulsar, injicera elektroner och positroner vid ytan, och spåra hur de interagerar med fälten och vart de går, "Kalapotharakos sa." Processen är beräknande intensiv eftersom partikelrörelserna påverkar de elektriska och magnetiska fälten och fälten påverkar partiklarna, och allt rör sig nära ljusets hastighet. "

Simuleringen visar att de flesta elektronerna tenderar att springa utåt från de magnetiska polerna. Positronerna, å andra sidan, flödar mest ut på lägre breddgrader, bildar en relativt tunn struktur som kallas det nuvarande arket. Faktiskt, de positroner med den högsta energin här-mindre än 0,1 procent av totalen-kan producera gammastrålningar liknande dem som Fermi upptäcker, bekräftar resultaten från tidigare studier.

Några av dessa partiklar blir sannolikt boostade till enorma energier vid punkter inom det aktuella arket där magnetfältet genomgår återanslutning, en process som omvandlar lagrad magnetisk energi till värme och partikelacceleration.

En population av elektroner med medelhög energi visade ett riktigt udda beteende, sprida åt vilket håll som helst - även tillbaka mot pulsaren.

Partiklarna rör sig med magnetfältet, som sveper tillbaka och sträcker sig utåt när pulsaren snurrar. Deras rotationshastighet stiger med ökande avstånd, men detta kan bara fortsätta så länge eftersom materia inte kan färdas med ljusets hastighet.

Avståndet där plasmas rotationshastighet skulle nå ljushastighet är en funktion astronomer kallar ljuscylindern, och det markerar en region med abrupta förändringar. När elektronerna närmar sig det, de bromsar plötsligt upp och många sprider sig vilt. Andra kan glida förbi ljuscylindern och ut i rymden.

Simuleringen kördes på Discover -superdatorn vid NASA:s Center for Climate Simulation på Goddard och Pleiades -superdatorn vid NASA:s Ames Research Center i Silicon Valley, Kalifornien. Modellen spårar faktiskt "makropartiklar, "var och en representerar många biljoner elektroner eller positroner. Ett papper som beskriver resultaten publicerades den 9 maj i The Astrophysical Journal.

"Än så länge, vi saknar en heltäckande teori för att förklara alla observationer vi har från neutronstjärnor. Det säger oss att vi ännu inte helt förstår ursprunget, acceleration och andra egenskaper hos plasmamiljön runt pulsaren, "Sa Brambilla." När PIC -simuleringar växer i komplexitet, vi kan förvänta oss en tydligare bild. "