Quando Jocelyn Bell observou pela primeira vez as emissões de um pulsar em 1967, os pulsos rítmicos das ondas de rádio confundiram tanto os astrônomos que eles consideraram se a luz poderia ser sinais enviados por uma civilização alienígena.

As estrelas agem como faróis estelares, disparando feixes de ondas de rádio de seus pólos magnéticos. Por mais de meio século, a causa desses feixes confundiu os cientistas. Agora, uma equipe de pesquisadores suspeita que finalmente identificou o mecanismo responsável. A descoberta pode ajudar projetos que dependem do tempo de emissão do pulsar, como estudos de ondas gravitacionais.

A proposta dos pesquisadores começa com os fortes campos elétricos do pulsar, que arrancam elétrons da superfície da estrela e os aceleram a energias extremas. Os elétrons acelerados eventualmente começam a emitir raios gama de alta energia. Esses raios gama, quando absorvido pelo campo magnético ultra-forte do pulsar, produzir um dilúvio de elétrons adicionais e suas contrapartes de antimatéria, pósitrons.

As partículas carregadas recém-nascidas amortecem os campos elétricos, fazendo-os oscilar. Os campos elétricos oscilantes na presença dos poderosos campos magnéticos do pulsar resultam em ondas eletromagnéticas que escapam para o espaço. Usando simulações de plasma, os pesquisadores descobriram que essas ondas eletromagnéticas correspondem às ondas de rádio observadas nos pulsares.

"O processo é muito parecido com um raio, "diz o autor principal do estudo, Alexander Philippov, um cientista pesquisador associado do Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute na cidade de Nova York. "Do nada, você tem uma descarga poderosa produzindo uma nuvem de elétrons e pósitrons, e então, como um resplendor, existem ondas eletromagnéticas. "

Philippov e os colaboradores Andrey Timokhin da Universidade de Zielona Góra na Polônia e Anatoly Spitkovsky da Universidade de Princeton apresentam suas descobertas em 15 de junho em Cartas de revisão física .

Pulsares são estrelas de nêutrons, os restos densos e altamente magnetizados de estrelas em colapso. Ao contrário de outras estrelas de nêutrons, pulsares giram em velocidades vertiginosas, com alguns girando mais de 700 vezes por segundo. Essa rotação gera campos elétricos poderosos.

Nos dois pólos magnéticos de um pulsar, feixes contínuos de ondas de rádio explodem no espaço. Essas emissões de rádio são especiais porque são coerentes, o que significa que as partículas que os criam se movem em sincronia umas com as outras. Conforme o pulsar gira, os feixes varrem em círculos o céu. Da Terra, pulsares parecem piscar conforme os feixes entram e saem de nossa linha de visão. O tempo dessas piscadas é tão preciso que rivaliza com a precisão dos relógios atômicos.

Por décadas, astrônomos ponderaram sobre as origens desses feixes, mas não conseguiram produzir uma explicação viável. Philippov, Timokhin e Spitkovsky adotaram uma nova abordagem para o problema, criando simulações 2-D do plasma em torno dos pólos magnéticos de um pulsar (as simulações anteriores eram apenas 1D, que não pode mostrar ondas eletromagnéticas).

Suas simulações reproduzem como os campos elétricos de um pulsar aceleram as partículas carregadas. Essa aceleração produz fótons de alta energia que interagem com o intenso campo magnético do pulsar para produzir pares elétron-pósitron, que são então acelerados pelos campos elétricos e criam ainda mais fótons. Esse processo descontrolado, em última análise, preenche a região com pares elétron-pósitron.

Nas simulações, os pares elétron-pósitron criam seus próprios campos elétricos que se opõem e amortecem o campo elétrico inicial. Eventualmente, o campo elétrico original torna-se tão fraco que chega a zero e começa a oscilar entre valores negativos e positivos. Esse campo elétrico oscilante, se não exatamente alinhado ao forte campo magnético do pulsar, produz radiação eletromagnética.

Os pesquisadores planejam aumentar suas simulações para se aproximar da física do mundo real de um pulsar e sondar ainda mais como o processo funciona. Philippov espera que seu trabalho melhore a pesquisa que se baseia na observação precisa do momento em que as emissões do pulsar atingem a Terra. Astrônomos de ondas gravitacionais, por exemplo, meça pequenas flutuações no tempo do pulsar para detectar ondas gravitacionais esticando e comprimindo a estrutura do espaço-tempo.

"Se você entende como a própria emissão é produzida, há uma esperança de que possamos também produzir um modelo dos erros no relógio do pulsar que possa ser usado para melhorar os arranjos de temporização do pulsar, "Philippov diz. Além disso, tal compreensão mais profunda poderia ajudar a resolver a misteriosa fonte de explosões periódicas de ondas de rádio, conhecido como rajadas de rádio rápidas, que emanam de estrelas de nêutrons, ele diz.