p Uma equipe internacional de cientistas que estuda o que equivale a um "pulsar em uma caixa" simulado por computador está obtendo uma compreensão mais detalhada do complexo, ambiente de alta energia em torno de estrelas de nêutrons giratórias, também chamados de pulsares. O modelo traça os caminhos de partículas carregadas em campos magnéticos e elétricos perto da estrela de nêutrons, revelando comportamentos que podem ajudar a explicar como os pulsares emitem raios gama e pulsos de rádio com temporização ultraprecisa. p "Os esforços para entender como os pulsares fazem o que fazem começaram assim que foram descobertos em 1967, e ainda estamos trabalhando nisso, "disse Gabriele Brambilla, um astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, e a Universidade de Milão, que conduziu um estudo da simulação recente. "Mesmo com o poder computacional disponível hoje, rastrear a física das partículas no ambiente extremo de um pulsar é um desafio considerável. "

p Um pulsar é o núcleo esmagado de uma estrela massiva que ficou sem combustível, desabou sob seu próprio peso e explodiu como uma supernova. A gravidade força mais massa do que a do Sol em uma bola não mais larga do que a ilha de Manhattan em Nova York, ao mesmo tempo que aumenta sua rotação e fortalece seu campo magnético. Os pulsares podem girar milhares de vezes por segundo e exercer os campos magnéticos mais fortes conhecidos.

p Essas características também tornam os pulsares dínamos poderosos, com campos elétricos superfortes que podem arrancar partículas da superfície e acelerá-las para o espaço.

p O Telescópio Espacial Fermi Gamma-ray da NASA detectou raios gama de 216 pulsares. As observações mostram que a emissão de alta energia ocorre mais longe da estrela de nêutrons do que os pulsos de rádio. Mas exatamente onde e como esses sinais são produzidos ainda é pouco conhecido.

p Vários processos físicos garantem que a maioria das partículas em torno de um pulsar sejam elétrons ou suas contrapartes de antimatéria, pósitrons.

p "Apenas algumas centenas de metros acima do pólo magnético de um pulsar, elétrons extraídos da superfície podem ter energias comparáveis ​​às alcançadas pelos aceleradores de partículas mais poderosos da Terra, "disse Alice Harding de Goddard." Em 2009, Fermi descobriu poderosas explosões de raios gama do pulsar da Nebulosa do Caranguejo que indicam a presença de elétrons com energias mil vezes maiores. "

p Elétrons velozes emitem raios gama, a forma de luz de mais alta energia, através de um processo denominado radiação de curvatura. Um fóton de raios gama pode, por sua vez, interagir com o campo magnético do pulsar de uma forma que o transforma em um par de partículas, um elétron e um pósitron.

p Para rastrear o comportamento e as energias dessas partículas, Brambilla, Harding e seus colegas usaram um tipo comparativamente novo de modelo de pulsar chamado simulação de "partícula na célula" (PIC). Constantinos Kalapotharakos de Goddard liderou o desenvolvimento do código de computador do projeto. Nos últimos cinco anos, o método PIC foi aplicado a configurações astrofísicas semelhantes por equipes da Universidade de Princeton em Nova Jersey e da Universidade de Columbia em Nova York.

p "A técnica PIC nos permite explorar o pulsar desde os primeiros princípios. Começamos com um giro, pulsar magnetizado, injetar elétrons e pósitrons na superfície, e rastrear como eles interagem com os campos e para onde vão, "Kalapotharakos disse." O processo é computacionalmente intensivo porque os movimentos das partículas afetam os campos elétricos e magnéticos e os campos afetam as partículas, e tudo está se movendo perto da velocidade da luz. "

p A simulação mostra que a maioria dos elétrons tende a correr para fora dos pólos magnéticos. Os pósitrons, por outro lado, principalmente flui em latitudes mais baixas, formando uma estrutura relativamente fina chamada folha atual. Na verdade, os pósitrons de mais alta energia aqui - menos de 0,1 por cento do total - são capazes de produzir raios gama semelhantes aos detectados por Fermi, confirmando os resultados de estudos anteriores.

p Algumas dessas partículas provavelmente são impulsionadas para energias tremendas em pontos dentro da folha atual onde o campo magnético passa por reconexão, um processo que converte a energia magnética armazenada em calor e aceleração de partículas.

p Uma população de elétrons de energia média mostrou um comportamento verdadeiramente estranho, espalhando-se em todas as direções - até mesmo de volta ao pulsar.

p As partículas se movem com o campo magnético, que varre para trás e se estende para fora conforme o pulsar gira. Sua velocidade de rotação aumenta com o aumento da distância, mas isso só pode durar até certo ponto porque a matéria não pode viajar na velocidade da luz.

p A distância em que a velocidade de rotação do plasma alcançaria a velocidade da luz é um recurso que os astrônomos chamam de cilindro de luz, e marca uma região de mudança abrupta. À medida que os elétrons se aproximam, eles diminuem a velocidade de repente e muitos se espalham descontroladamente. Outros podem passar pelo cilindro de luz e sair para o espaço.

p A simulação foi executada no supercomputador Discover no Center for Climate Simulation da NASA em Goddard e no supercomputador Pleiades no Ames Research Center da NASA no Vale do Silício, Califórnia. O modelo realmente rastreia "macropartículas, "cada um dos quais representa muitos trilhões de elétrons ou pósitrons. Um artigo descrevendo as descobertas foi publicado em 9 de maio no The Astrophysical Journal.

p "Até aqui, carecemos de uma teoria abrangente para explicar todas as observações que temos das estrelas de nêutrons. Isso nos diz que ainda não entendemos completamente a origem, aceleração e outras propriedades do ambiente de plasma em torno do pulsar, "Brambilla disse." À medida que as simulações PIC crescem em complexidade, podemos esperar uma imagem mais clara. "