Datasimulering av pulsarer gir overraskende bilde av nøytronstjerners omgivelser
17.10.18: Ved hjelp av en datasimuleringsmodell har et internasjonalt forskerteam ervervet ny kunnskap om det komplekse og energirike miljøet rundt roterende nøytronstjerner – pulsarer. Modellen viser hvordan ladde partikler beveger seg i magnetfelt og elektriske felt nær nøytronstjerner og avslører oppførsel som muligens kan være til hjelp for å forklare hvordan pulsarer sender ut gammastråling og radiopulser med ultranøyaktig timing.
av Anne Mette Sannes og Knut Jørgen Røed Ødegaard
Roterende nøytronstjerne med kraftig magnetfelt.
Animasjon: NASA’s Goddard Space Flight Center
En pulsar er en knust kjerne til en masserik stjerne som har brent opp drivstoffet og deretter kollapset under sin egen vekt og eksplodert som en supernova. Tyngdekraften tvinger mer masse enn Solens inn i en tenkt kule som ikke er større enn Manhattan mens den også forsterker rotasjonen og magnetfeltet. Pulsarer kan rotere flere tusen ganger i sekundet og forårsake de kraftigste magnetfeltene man kjenner til.
Disse egenskapene gjør også pulsarer til kraftige dynamoer med supersterke elektriske felt som kan rive partikler ut fra overflaten og akselerere disse ut i rommet.
NASAs gammastråle-observatorium Fermi har oppdaget gammastråler fra 216 pulsarer. Observasjoner viser at den energirike utstrålingen opptrer lenger unna nøytronstjerner enn radiopulser, men man vet lite om nøyaktig hvor og hvordan disse signalene oppstår. Ulike fysiske prosesser sørger for at de fleste partiklene rundt en pulsar enten er elektroner eller deres motstykker, positroner.
Ifølge Alice Arding ved Goddard kan elektroner som trekkes ut fra overflaten allerede bare noen få hundre meter over en pulsars magnetiske pol ha energier som er sammenlignbare med de som nås av de kraftigste partikkelakseleratorene på Jorden. I 2009 oppdaget Fermi kraftige utbrudd av gammastråler fra pulsaren i Krabbetåken som tyder på tilstedeværelse av elektroner med ytterligere tusen ganger større energi.
Elektroner med høy hastighet og som endrer bevegelsesretning sender ut gammastråler, den mest energirike elektromagnetiske strålingen, gjennom en prosess som kalles synkrotronstråling. Et gammastrålefoton kan i sin tur vekselvirke med pulsarenes magnetfelt på en slik måte at det omdannes til et partikkelpar –et elektron og et positron.
En nøytronstjerne og dens intense magnetfelt.
Illustrasjon: Casey Reed - Penn State University
Forskerne utviklet en datasimuleringsmetode kalt PIC (particle in a cell) for å studere hvordan partikler beveger seg rundt pulsarer.
Denne teknikken gjør det mulig å utforske pulsarer ut fra fysikkens grunnprinsipper. Forskerne starter med en roterende og magnetisert pulsar, putter inn elektroner og positroner på overflaten og sporer hvordan de vekselvirker med feltene og hvor de beveger seg. Prosessen krever stor datakraft siden partikkelbevegelsene påvirker både de elektriske feltene og magnetfeltene, og feltene påvirker partiklene samtidig som alt beveger seg med nær lyshastighet.
Modellen viser at de fleste elektronene synes å fare utover fra de magnetiske polene. Positronene på den annen side strømmer hovedsakelig ut ved lavere breddegrader og danner en relativt tynn elektrisk strømstruktur. Positronene med høyest energi – disse utgjør mindre enn 0,1 prosent av totalen - er faktisk i stand til å produsere gammastråler lignende de som oppdages av Fermi og bekrefter dermed tidligere studier.
Noen av disse partiklene blir sannsynligvis akselerert til enorme energier på steder innenfor de tynne strømstrukturene der magnetfeltet gjennomgår en såkalt kortslutning, «reconnection», en prosess som omdanner lagret magnetisk energi til varme og partikkelakselerasjon.
En del av elektronene med middels høy energi oppførte seg på en spesielt merkelig måte og spres i alle retninger – til og med tilbake mot pulsaren.
Partiklene beveger seg med magnetfeltet som sveiper tilbake og strekker seg utover mens pulsaren roterer. Partiklenes rotasjonshastighet tiltar med økende avstand, men dette kan bare pågå en stund fordi materie ikke kan bevege seg med lysets hastighet.
Utforskning av en «pulsar i en boks» ved hjelp av en datamodell som følger hva som skjer med elektroner (blå) og deres motstykker positroner (røde), mens de reagerer med kraftige magnetfelt og elektriske felt rundt en nøytronstjerne. Tynnere streker indikerer høyere partikkelenergier. Hver partikkel som ses i denne visualiseringen representerer billioner av elektroner eller positroner. Bedre kunnskap om miljøet rundt nøytronstjerner vil hjelpe astronomene å forstå hvordan de produserer ekstremt nøyaktige radio- og gammastrålepulser.
Film: NASA’s Goddard Space Flight Center
Avstanden der plasmaets rotasjonshastighet ville nådd lyshastigheten er en egenskap kalt en lyssylinder, og markerer et område hvor det skjer en plutselig endring. Når elektronene nærmer seg denne, sakner de plutselig farten og mange spres i alle retninger. Andre kan trenge forbi lyssylinderen og ut i rommet.
Forskerne mangler en fullstendig teori som kan forklare alle observasjonene av nøytronstjerner og kan ikke forklare opprinnelsen, akselerasjoner og andre egenskaper til plasmaet rundt en pulsar. De håper at PIC-metoden kan gi et klarere bilde av det som foregår.
Klikk på “Liker” og få melding når nye saker legges ut!
Hva kan du se i kveld?
Følg med på planeter, stjerner og månefaser samt spennende fenomener som f.eks. nordlys, perlemorskyer, lysende nattskyer m.m.
Les mer