När Jocelyn Bell först observerade utsläppen från en pulsar 1967, radiovågornas rytmiska pulser förvirrade astronomerna så att de funderade på om ljuset kunde vara signaler som skickats av en främmande civilisation.

Stjärnorna fungerar som stjärnfyrar, skjuta strålar av radiovågor från deras magnetiska poler. I mer än ett halvt sekel, orsaken till dessa strålar har förvirrat forskarna. Nu misstänker ett team av forskare att de äntligen har identifierat den ansvariga mekanismen. Upptäckten kan hjälpa projekt som är beroende av tidpunkten för pulsarutsläpp, såsom studier av gravitationsvågor.

Forskarnas förslag börjar med pulsarens starka elektriska fält, som river elektroner från stjärnans yta och accelererar dem till extrema energier. De accelererade elektronerna börjar så småningom sända ut högenergi-gammastrålar. Dessa gammastrålar, när den absorberas av pulsarens ultrastarka magnetfält, producera en störtflod av ytterligare elektroner och deras antimateriamotsvarigheter, positroner.

De nyfödda laddade partiklarna dämpar de elektriska fälten, får dem att svänga. De vacklande elektriska fälten i närvaro av pulsarens kraftfulla magnetfält resulterar sedan i elektromagnetiska vågor som flyr ut i rymden. Med hjälp av plasmasimuleringar, forskarna fann att dessa elektromagnetiska vågor matchar radiovågor som observerats från pulsarer.

"Processen är mycket som blixten, " säger studiens huvudförfattare Alexander Philippov, en associerad forskare vid Flatiron Institutes Center for Computational Astrophysics i New York City. "Från ingenstans, du har en kraftfull urladdning som producerar ett moln av elektroner och positroner, och då, som en efterglöd, det finns elektromagnetiska vågor."

Philippov och medarbetare Andrey Timokhin från University of Zielona Góra i Polen och Anatoly Spitkovsky från Princeton University presenterar sina resultat den 15 juni i Fysiska granskningsbrev .

Pulsarer är neutronstjärnor, de täta och starkt magnetiserade resterna av kollapsade stjärnor. Till skillnad från andra neutronstjärnor, pulsarer snurrar i svindlande hastigheter, med vissa som roterar mer än 700 gånger varje sekund. Den spinningen genererar kraftfulla elektriska fält.

Vid en pulsars två magnetiska poler, kontinuerliga strålar av radiovågor spränger ut i rymden. Dessa radiostrålar är speciella genom att de är koherenta, vilket innebär att partiklarna som skapar dem rör sig i låst steg med varandra. När pulsaren roterar, strålarna sveper i cirklar över himlen. Från jorden, pulsarer verkar blinka när strålarna rör sig in och ut ur vår synlinje. Tidpunkten för dessa blinkningar är så exakt att de konkurrerar med atomklockornas noggrannhet.

I årtionden, astronomer funderade över ursprunget till dessa strålar men lyckades inte skapa en hållbar förklaring. Philippov, Timokhin och Spitkovsky tog ett nytt förhållningssätt till problemet genom att skapa 2D-simuleringar av plasman som omger en pulsars magnetiska poler (tidigare simuleringar var bara 1D, som inte kan visa elektromagnetiska vågor).

Deras simuleringar replikerar hur en pulsars elektriska fält accelererar laddade partiklar. Den accelerationen producerar högenergifotoner som interagerar med pulsarens intensiva magnetfält för att producera elektron-positronpar, som sedan accelereras av de elektriska fälten och skapar ännu fler fotoner. Denna skenande process fyller i slutändan regionen med elektron-positronpar.

I simuleringarna, elektron-positronparen skapar sina egna elektriska fält som motverkar och dämpar det initiala elektriska fältet. Så småningom, det ursprungliga elektriska fältet blir så svagt att det når noll och börjar pendla mellan negativa och positiva värden. Det där oscillerande elektriska fältet, om den inte är exakt anpassad till pulsarens starka magnetfält, producerar elektromagnetisk strålning.

Forskarna planerar att skala upp sina simuleringar för att komma närmare den verkliga fysiken hos en pulsar och ytterligare undersöka hur processen fungerar. Philippov hoppas att deras arbete i slutändan kommer att förbättra forskning som bygger på att exakt observera tidpunkten för pulsarutsläpp som når jorden. Gravitationsvågsastronomer, till exempel, mät små fluktuationer i pulsartiming för att upptäcka gravitationsvågor som sträcker sig och komprimerar tyget i rum-tid.

"Om du förstår hur själva utsläppet produceras, det finns en förhoppning om att vi också kan producera en modell av felen i pulsarklockan som kan användas för att förbättra pulsartimingsmatriser, " säger Philippov. Dessutom, en sådan djupare förståelse skulle kunna hjälpa till att lösa den mystiska källan till periodiska skurar av radiovågor, känd som snabba radioskurar, som kommer från neutronstjärnor, han säger.