Púlsares: resuelven el motivo de su brillo, un enigma de medio siglo

Durante más de medio siglo, la causa de los pulsos de luz que emiten los púlsares han confundido a los científicos. Ahora, parece que finalmente se ha identificado el mecanismo responsable. El descubrimiento podría ayudar a proyectos que dependen del momento de las emisiones de púlsar, como los estudios de ondas gravitacionales.

La propuesta de los investigadores comienza con los fuertes campos eléctricos del púlsar, que arrancan electrones de la superficie de la estrella y los aceleran a energías extremas. Los electrones acelerados eventualmente comienzan a emitir rayos gamma de alta energía. Estos rayos gamma, cuando son absorbidos por el campo magnético ultra fuerte del púlsar, producen un diluvio de electrones adicionales y sus contrapartes de antimateria, los positrones.

Las nuevas partículas cargadas amortiguan los campos eléctricos, haciéndolos oscilar. Los campos eléctricos oscilantes en presencia de los potentes campos magnéticos del púlsar producen ondas electromagnéticas que escapan al espacio. Mediante simulaciones de plasma, los investigadores descubrieron que estas ondas electromagnéticas coinciden con las ondas de radio observadas desde los púlsares.

"El proceso se parece mucho a un rayo", dice el autor principal del nuevo estudio Alexander Philippov, científico investigador asociado en el Centro de Astrofísica Computacional del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York. "De la nada, tienes una descarga poderosa que produce una nube de electrones y positrones, y luego, como resplandor, hay ondas electromagnéticas".

Philippov y sus colaboradores Andrey Timokhin de la Universidad de Zielona Góra en Polonia y Anatoly Spitkovsky de la Universidad de Princeton presentan sus hallazgos el 15 de junio en Physical Review Letters.

Los púlsares son estrellas de neutrones, los restos densos y altamente magnetizados de estrellas colapsadas. A diferencia de otras estrellas de neutrones, los púlsares giran a velocidades vertiginosas, y algunos giran más de 700 veces por segundo. Ese giro genera potentes campos eléctricos.

En los dos polos magnéticos de un púlsar, haces continuos de ondas de radio explotan en el espacio. Estas emisiones de radio son especiales porque son coherentes, lo que significa que las partículas que las crean se mueven juntas. A medida que el púlsar gira, los rayos se extienden en círculos a través del cielo. Desde la Tierra, los púlsares parecen parpadear a medida que los rayos entran y salen de nuestra línea de visión. El momento de estos parpadeos es tan preciso que rivalizan con la precisión de los relojes atómicos.

Durante décadas, los astrónomos reflexionaron sobre los orígenes de estos haces, pero no pudieron producir una explicación viable. Philippov, Timokhin y Spitkovsky dieron un nuevo enfoque al problema creando simulaciones en 2D del plasma que rodea los polos magnéticos de un púlsar (las simulaciones anteriores eran solo 1D, que no pueden mostrar ondas electromagnéticas).

Sus simulaciones replican cómo los campos eléctricos de un púlsar aceleran las partículas cargadas. Esa aceleración produce fotones de alta energía que interactúan con el intenso campo magnético del púlsar para producir pares de electrones-positrones, que luego son acelerados por los campos eléctricos y crean aún más fotones. Este proceso desbocado finalmente llena la región con pares de electrones-positrones.

En las simulaciones, los pares electrón-positrón crean sus propios campos eléctricos que se oponen y amortiguan el campo eléctrico inicial. Finalmente, el campo eléctrico original se vuelve tan débil que llega a cero y comienza a oscilar entre valores negativos y positivos. Ese campo eléctrico oscilante, si no está exactamente alineado con el fuerte campo magnético del púlsar, produce radiación electromagnética.

Los investigadores planean ampliar sus simulaciones para acercarse a la física del mundo real de un púlsar y seguir investigando cómo funciona el proceso. Philippov espera que su trabajo finalmente mejore la investigación que se basa en observar con precisión el momento en que las emisiones de púlsar llegan a la Tierra. Los astrónomos de ondas gravitacionales, por ejemplo, miden pequeñas fluctuaciones en el tiempo del púlsar para detectar ondas gravitacionales que se estiran y comprimen la estructura del espacio-tiempo.

"Si se comprende cómo se produce la emisión en sí, existe la esperanza de que también podamos producir un modelo de los errores en el reloj del púlsar que se puede utilizar para mejorar los arreglos de sincronización del púlsar", dice Philippov. Además, una comprensión tan profunda podría ayudar a resolver la misteriosa fuente de ráfagas periódicas de ondas de radio, conocidas como ráfagas de radio rápidas, que emanan de las estrellas de neutrones, dice.