Jovens cientistas da ITMO University explicaram como as estrelas de nêutrons geram intensa emissão de rádio dirigida. Eles desenvolveram um modelo baseado nas transições de partículas entre estados gravitacionais, ou seja, estados quânticos em um campo gravitacional. Os pesquisadores foram os primeiros a descrever tais estados para elétrons na superfície de estrelas de nêutrons. Os parâmetros físicos obtidos com o modelo desenvolvido são consistentes com observações experimentais reais. Os resultados são publicados em The Astrophysical Journal .
As estrelas de nêutrons são alguns dos objetos astronômicos mais surpreendentes, pois sua densidade perde apenas para os buracos negros. Dentro das estrelas de nêutrons, não há átomos e núcleos individuais. Além disso, devido a uma densidade tão alta, estrelas de nêutrons têm uma gravidade tremenda, que resulta em propriedades físicas únicas, como emissão de rádio direcionada, que desempenhou um papel importante na descoberta de estrelas de nêutrons.
Na terra, a radiação de estrelas de nêutrons foi observada pela primeira vez em 1967 na forma de sinais periódicos, inicialmente levando os cientistas a sugerir que pode ter vindo de uma civilização extraterrestre. Contudo, os pesquisadores logo descobriram que a radiação das estrelas de nêutrons era de origem natural e não carregava nenhuma informação especial. Sua periodicidade estrita resultou ser o resultado de um caminho de propagação incomum. As estrelas de nêutrons emitem ondas de rádio como um feixe estreito que "brilha" através do espaço como um farol enquanto a estrela está girando. Portanto, a emissão de rádio de estrelas de nêutrons é observada como pulsações periódicas.
Uma das questões mais intrigantes da física das estrelas de nêutrons é o mecanismo que gera essa emissão de rádio direcionada. Nos últimos cinquenta anos, os cientistas não conseguiram encontrar uma resposta clara para essa pergunta. Recentemente, uma equipe de físicos teóricos da Universidade ITMO descreveu como os pulsares geram emissão de rádio. Eles desenvolveram um modelo teórico baseado nos estados semelhantes observados em elétrons em nanocristais semicondutores e em campos gravitacionais.
Os cientistas examinaram como os elétrons se movem perto da superfície de uma estrela de nêutrons. Os elétrons não podem passar pela superfície devido à alta densidade da matéria dentro da estrela. Simultaneamente, elétrons são atraídos para a superfície da estrela pela forte gravidade. Como resultado, as partículas são "aprisionadas" em uma camada fina logo acima da superfície da estrela. De acordo com as leis da mecânica quântica, a energia dos elétrons aprisionados só pode assumir valores discretos. Se os elétrons caírem na superfície da estrela de nêutrons, eles passam sobre os estados de gravidade discreta, emissão de energia sob a forma de feixes de ondas de rádio.
"O ambiente na superfície de uma estrela de nêutrons é muito semelhante ao que existe dentro de um laser, "explica Nikita Teplyakov, pesquisadora do Laboratório de Modelagem e Projeto de Nanoestruturas da ITMO University. “Existe a chamada inversão populacional, o que significa que o ambiente é rico em partículas de alta energia. À medida que se movem para os níveis de energia mais baixos, eles emitem radiação que faz com que as partículas próximas também reduzam sua energia. Avaliamos a frequência das transições eletrônicas entre as condições gravitacionais em uma estrela de nêutrons e vimos que elas correspondem à banda de rádio. Nós nunca suspeitamos que isso era algo que ninguém tinha feito antes, mas descobrimos que estávamos, na verdade, o primeiro."
De acordo com os pesquisadores, este estudo começou em uma aula de mecânica quântica enquanto eles trabalhavam em uma tarefa. "A tarefa era bem trivial:tínhamos que descrever o estado gravitacional na superfície da Terra. Mas na Terra, a gravidade não é muito forte, portanto, nenhum efeito interessante surge; é quase impossível observar as condições de gravidade aqui. Portanto, nosso professor Yuri Rozhdestvensky sugeriu que fizéssemos a mesma tarefa para uma estrela de nêutrons com uma forte gravidade. Quando percebemos que topamos com algo interessante, começamos a desenvolver um modelo. Descobrimos que obtivemos uma descrição bastante precisa dos dados experimentais, "diz Tatiana Vovk, Membro do Laboratório de Modelagem e Projeto de Nanoestruturas.
Os autores observam que, apesar de suas revelações, este trabalho emprega princípios simples e bem conhecidos da física. Nomeadamente, o mecanismo de amplificação de emissão de rádio para estrelas de nêutrons é semelhante a um dos lasers convencionais. No futuro, os cientistas planejam usar seu modelo para um estudo dos estados de gravitação de outros objetos massivos no Universo.
