2018 - Un nuevo modelo de simulación de la NASA permite conocer mejor el comportamiento de los púlsares

Un nuevo modelo calculado por ordenador está revelando los comportamientos nunca vistos y, a menudo extraños, de las partículas que fluyen alrededor de las estrellas de neutrones que giran a gran velocidad, también conocidas como púlsares.
Una nueva investigación dirigida por el astrofísico de la NASA Gabriele Brambilla, muestra los caminos que siguen las partículas cargadas atrapadas en los campos eléctricos y magnéticos que hay cerca de los púlsares. El trabajo se basa en un nuevo método para simular estos púlsares, y ofrece una visión sin precedentes del funcionamiento interno de estas exóticas formaciones celestes.

Los púlsares son los restos aplastados de estrellas masivas que se quedaron sin energía, colapsaron y luego explotaron como una supernova. Estas estrellas de neutrones que rotan concentran una enorme cantidad de masa en un pequeño espacio; un púlsar de tamaño medio es del tamaño de Manhattan, pero contiene más masa que el Sol. A medida que giran –a menudo mil vueltas por segundo–generan los campos magnéticos más poderosos que han descubierto hasta el momento los astrofísicos. Al mismo tiempo, los fuertes campos eléctricos arrancan partículas de la superficie de la estrella de neutrones, arrojándolas al espacio. Desde la Tierra, podemos ver rotando el haz de rayos gamma de un púlsar y captar pulsos de radio a intervalos completamente regulares, un efecto que a menudo se compara con el haz de luz de un faro.
Los púlsares son como una serie de experimentos gigantescos hechos por un acelerador de partículas, que flotan en el espacio y tienen una física muy extraña, tanto a escala micro como macro. Los astrónomos han estado estudiando los púlsares durante más de 50 años, pero aún no pueden explicar por completo lo que están observando. No hace falta decir que no podemos crear estas condiciones extremas en la Tierra, ni podemos observar estos objetos desde cerca, el más cercano de los cuales está a unos 770 años luz de la Tierra. Es por eso que Brambilla y sus colegas recurrieron a modelos hechos por ordenador para aprender más sobre los púlsares y cómo afectan al comportamiento de las partículas cargadas.

Para el nuevo estudio, publicado esta semana en el Astrophysical Journal, los científicos recurrieron a una forma relativamente nueva para modelar los púlsares: un sistema de simulación conocido como PIC (particle-in-cell).


“La técnica de PIC nos permite explorar el púlsar desde sus comienzos. Empezamos con un púlsar magnetizado giratorio, inyectamos electrones y positrones en su superficie, y rastreamos cómo interactúan con los campos y hacia dónde se dirigen”, dijo en un comunicado Constantinos Kalapotharakos, coautor del estudio y científico en el Goddard Space Flight Center de la NASA. “El proceso es computacionalmente intensivo porque los movimientos de las partículas afectan a los campos eléctrico y magnético y los campos afectan las partículas, y todo se está moviendo a casi la velocidad de la luz”.
Esta simulación de PIC se llevó a cabo en un par de superordenadores de la NASA: el superordenador Discover en el Centro de Simulación Climática de la NASA, y el superordenador de las Pléyades en el Centro de Investigación Ames de California. Increíblemente, el modelo PIC rastrea el movimiento de cada partícula, que en conjunto representa billones de electrones y sus equivalentes de antimateria, los positrones.
La nueva simulación por ordenador mostró a los científicos movimientos que nunca antes habían considerado. Por ejemplo, los investigadores observaron cómo la mayoría de los electrones viajaban hacia afuera de los polos magnéticos del púlsar. Mientras tanto, los positrones salieron despedidos a altitudes más bajas, formando estructuras delgadas denominadas “hojas actuales”.

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La NASA explicó algunas de las otras observaciones que realizaron en el estudio:

Es probable que algunas de estas partículas sufran un aumento enorme de energía en algunos puntos dentro de la hoja actual donde el campo magnético experimenta una reconexión, un proceso que convierte la energía magnética almacenada en calor y aceleración de partículas.
Una población de electrones de energía media mostró un comportamiento realmente extraño, dispersándose en todas direcciones, incluso de regreso hacia el púlsar.
Las partículas se mueven con el campo magnético, que se arrastra hacia atrás y se extiende hacia afuera a medida que el púlsar gira. Su velocidad de rotación aumenta a medida que aumenta la distancia, pero esto no puede durar mucho tiempo ya que la materia no puede viajar a la velocidad de la luz.
La distancia a la que la velocidad de rotación del plasma alcanzaría la velocidad de la luz es una característica que los astrónomos llaman cilindro de luz y marca una región de un cambio abrupto. A medida que los electrones se acercan, disminuyen la velocidad de repente y muchos se dispersan violentamente. Otros pueden deslizarse más allá del cilindro de luz y salir al espacio.

Si esto suena un poco críptico, te recomiendo que veas la simulación visual (que aparece en el vídeo de arriba) y que ilustra estos procesos bastante bien.