SIMULAZIONI 2D REPLICANO I CAMPI ELETTRICI DELLE TROTTOLE SPAZIALI

Così nasce il battito delle pulsar

Grazie a simulazioni 2D del plasma che circonda i poli magnetici di una pulsar, un team di ricercatori ha forse risolto un mistero vecchio di mezzo secolo: l'origine delle loro intense emissioni radio, causate, secondo lo studio pubblicato su Physical Review Letters, da coppie elettrone-positrone che interagiscono con i potenti campi elettromagnetici di questi fari cosmici

     16/06/2020
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Animazione che mostra la struttura, la rotazione e l’emissione radio delle pulsar. Crediti: Goddard Space Flight Center, Nasa

Le pulsar sono stelle di neutroni, resti densi ed estremamente magnetizzati di stelle massicce il cui nucleo è collassato. A differenza di altre stelle di neutroni, ruotano a velocità vertiginose – fino a 700 volte al secondo –emettendo dai loro poli magnetici fasci di onde radio che, osservati dalla Terra, rendono questi oggetti celesti dei fari cosmici.

Per decenni, fin da quando nel 1967 l’astrofisica Jocelyn Bell scoprì la prima pulsar, osservando il battito radio di Psr B1919 + 21, gli astronomi hanno cercato di comprendere cosa ci fosse all’origine di questa emissione radio pulsata, senza tuttavia riuscire a trovare una valida spiegazione. In questi giorni è stato pubblicato su Physical Review Letters un nuovo studio che presenta una possibile spiegazione del meccanismo all’origine di questo battito.

I  tre autori dello studio – Alexander Philippov del Centro di Astrofisica Computazionale del Flatiron Institute di New York (Stati Uniti); Andrey Timokhin dell’Università di Zielona Góra (Polonia), e Anatoly Spitkovsky dell’Università di Princeton (Stati Uniti) – hanno cercato di rispondere a questa domanda tramite un nuovo approccio al problema, sviluppando simulazioni 2D del plasma che circonda i poli magnetici di queste stelle.

Illustrazione artistica di una pulsar. In blu, le particelle cariche in movimento lungo le linee del campo magnetico della stella di neutroni, responsabili secondo Philippov et al. dell’emissione radio pulsata, in viola. Crediti: Nasa

Le simulazioni replicano il modo in cui i campi elettrici di queste “trottole spaziali” accelerano le particelle cariche. Il meccanismo proposto dai ricercatori prevede che il motore di tutto sia il forte campo elettrico generato dalla loro rotazione. Questi campi elettrici sarebbero in grado di strappare elettroni dalla superficie della stella, accelerandoli a energie estremamente alte. Gli elettroni così accelerati iniziano a emettere raggi gamma ad alta energia che, se assorbiti dall’enorme campo magnetico delle pulsar, producono uno sciame di nuove particelle: elettroni e le loro controparti di antimateria, i positroni.

Le coppie elettrone-positrone creano propri campi elettrici che si oppongono e smorzano il campo elettrico iniziale della pulsar. Alla fine, il campo elettrico originale della pulsar diventa così debole che raggiunge lo zero e inizia a oscillare tra valori negativi e positivi. Sarebbe proprio questo capo elettrico oscillante, in presenza dei potenti campi magnetici della pulsar, a provocare l’emissione di onde elettromagnetiche dai poli che, nelle simulazioni, i ricercatori hanno scoperto corrispondere alle onde radio pulsanti responsabili del loro battito.

Simulazione della distribuzione di densità del plasma di coppie elettrone-positrone vicino alla superficie di una stella di neutroni (in grigio nella parte inferiore dell’immagine). Le regioni più rosse rappresentano una maggiore densità. Crediti: A. Philippov et al., Physical Review Letters 2020

«Il processo è molto simile a un fulmine», osserva Alexander Philippov. «Improvvisamente hai una potente scarica che produce una nuvola di elettroni e positroni e poi, come un bagliore, ci sono onde elettromagnetiche».

I ricercatori hanno già in programma di effettuare altre simulazioni per comprendere più in dettaglio come funzioni il processo, anche nel tentativo di migliorare la ricerca che si basa sull’osservazione precisa dei tempi di arrivo a terra di queste emissioni pulsate. Tempi che – ricavati attraverso un metodo chiamato pulsar timing arraysono utilizzati ad esempio per rilevare le onde gravitazionali, sfruttando questi fari cosmici come se fossero Gps. Gli astronomi che studiano le onde gravitazionali misurano infatti piccole variazioni – dell’ordine di nanosecondi – nei tempi di arrivo di questi impulsi, per rilevare le increspature dello spazio-tempo.

«Se capisci come viene prodotta l’emissione stessa» aggiunge a questo proposito Philippov «è possibile produrre un modello che tenga conto degli errori nel timing delle pulsar, che può essere usato per migliorare il metodo del pulsar timing array». Inoltre, concludono gli scienziati, una migliore comprensione del meccanismo all’origine dell’emissione radio pulsata potrebbe aiutare a risolvere il mistero delle sorgenti dei lampi radio veloci, i cosiddetti Frb (fast radio burst).

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