Los Científicos Revelan Un Nuevo Mecanismo De Emisión De Radio En Estrellas De Neutrones

Revelado nuevo mecanismo de emisión de radio en estrellas de neutrones

(a) Orientación relativa del eje de rotación del púlsar, el eje magnético y el patrón de radiación de los rayos de radio emitidos por los casquetes polares magnéticos. Solo se muestra la emisión del polo norte magnético. (b) Espectro de energía electrónica compuesto por los dos primeros niveles de Landau con conjuntos de estados gravitacionales por encima de cada uno. ED y MD se refieren a transiciones dipolo eléctrico y dipolo magnético, respectivamente. La flecha cian discontinua muestra la absorción de radiación de rayos X a la frecuencia del ciclotrón; dos flechas verdes adyacentes marcan la emisión espontánea de la radiación de rayos X desplazada al rojo. El espacio entre los estados gravitacionales está muy exagerado con fines ilustrativos. ApJ, 2018; doi: 10.3847 / 1538-4357 / aab559

Jóvenes científicos de la Universidad ITMO han explicado cómo las estrellas de neutrones generan una intensa emisión de radio dirigida. Desarrollaron un modelo basado en las transiciones de partículas entre estados gravitacionales, es decir, estados cuánticos en el campo gravitacional. Los investigadores fueron los primeros en describir tales estados para los electrones en la superficie de las estrellas de neutrones. Los parámetros físicos obtenidos con el modelo desarrollado son consistentes con observaciones experimentales reales. Los resultados se publican en The Astrophysical Journal.

Las estrellas de neutrones son algunos de los objetos astronómicos más asombrosos, ya que su densidad es superada solo por los agujeros negros. Dentro de las estrellas de neutrones, no hay átomos ni núcleos individuales. Además, debido a una densidad tan alta, las estrellas de neutrones tienen una gravedad tremenda, lo que resulta en propiedades físicas únicas como la emisión de radio dirigida, que jugó un papel importante en el descubrimiento de las estrellas de neutrones.

En la Tierra, la radiación de las estrellas de neutrones se observó por primera vez en 1967 en forma de señales periódicas, lo que inicialmente hizo que los científicos sugirieran que podría provenir de una civilización extraterrestre. Sin embargo, los investigadores pronto descubrieron que la radiación de las estrellas de neutrones era de origen natural y no contenía ninguna información especial. Su estricta periodicidad resultó ser el resultado de una ruta de propagación inusual. Las estrellas de neutrones emiten ondas de radio como un haz estrecho que “brilla” a través del espacio como un faro mientras la estrella está girando. Por tanto, la emisión de radio de las estrellas de neutrones se observa como pulsaciones periódicas.

Una de las preguntas más desconcertantes de la física de las estrellas de neutrones es el mecanismo que genera dicha emisión de radio dirigida. Durante los últimos cincuenta años, los científicos no pudieron encontrar una respuesta clara a esta pregunta. Recientemente, un equipo de físicos teóricos de la Universidad ITMO describió cómo los púlsares generan emisiones de radio. Desarrollaron un modelo teórico basado en los estados similares observados en electrones en nanocristales semiconductores y en campos gravitacionales.

Los científicos examinaron cómo se mueven los electrones cerca de la superficie de un estrella neutrón . Los electrones no pueden atravesar la superficie debido a la alta densidad de materia dentro de la estrella. Simultáneamente, los electrones son atraídos a la superficie de la estrella por la fuerte gravedad. Como resultado, las partículas quedan “atrapadas” en una capa delgada justo encima de la superficie de la estrella. Según las leyes de la mecánica cuántica, la energía de los electrones atrapados solo puede tomar valores discretos. Si los electrones caen sobre la superficie de la estrella de neutrones, pasan por los estados discretos de gravedad y emiten energía en forma de rayos de ondas de radio.

“El entorno en la superficie de una estrella de neutrones es muy similar al que existe dentro de un láser”, explica Nikita Teplyakov, investigadora del Laboratorio de Modelado y Diseño de Nanoestructuras de la Universidad ITMO. “Existe la llamada inversión de población, lo que significa que el medio ambiente es rico en partículas de alta energía. A medida que se mueven hacia los niveles de energía más bajos, emiten radiación que hace que las partículas cercanas también reduzcan su energía. Evaluamos la frecuencia de las transiciones de electrones entre condiciones gravitacionales en una estrella de neutrones y vimos que corresponden a la banda de radio. Ni siquiera sospechamos que esto era algo que nadie había hecho antes, pero resultó que, de hecho, éramos los primeros “.

Según los investigadores, este estudio comenzó en una clase de mecánica cuántica mientras trabajaban en una tarea. “La tarea era bastante trivial: teníamos que describir el estado gravitacional en la superficie de la Tierra. Pero en la Tierra, la gravedad no es muy fuerte, por lo que no surgen efectos interesantes; es casi imposible observar las condiciones de gravedad aquí. Por lo tanto, nuestro profesor Yuri Rozhdestvensky sugirió que hiciéramos la misma tarea para una estrella de neutrones con una fuerte gravedad. Cuando nos dimos cuenta de que nos topamos con algo interesante, comenzamos a desarrollar un modelo. Resultó que obtuvimos una descripción bastante precisa de los datos experimentales ”, dice Tatiana Vovk, miembro del Laboratorio de Modelado y Diseño de Nanoestructuras.

Los autores señalan que, a pesar de sus revelaciones, este trabajo emplea principios de física simples y bien conocidos. Es decir, el mecanismo de amplificación de la emisión de radio para las estrellas de neutrones es similar a uno de los láseres convencionales. En el futuro, los científicos planean usar su modelo para un estudio de los estados de gravitación de otros objetos masivos en el Universo.

Publicación: Nikita V. Tepliakov, et al., “Maser Emission from Gravitational States on Isolated Neutron Stars,” ApJ, 2018; doi: 10.3847 / 1538-4357 / aab559

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