4 oktober 2022

Plasmasimulaties geven meer inzicht in emissiemechanisme pulsars

Een korte flashback naar het jaar 1967. In dat jaar werd de eerste pulsar geobserveerd door twee Britse astronomen, Jocelyn Bell en Anthony Hewish in het Mullard astronomisch observatorium te Cambridge (VK). Pulsars, ook wel de ‘vuurtorens van het universum’ genoemd, zijn snel roterende, sterk magnetische neutronensterren die aan beide polen ongekend heldere, elektromagnetische straalstromen uitzenden. Deze straling wordt op de aarde waargenomen in de vorm van snelle pulsen, met een stabiele periode tussen de 1,4 milliseconden en 8,5 seconden, waarbij de vergelijking met de vuurtoren opdoemt. Door hun regelmaat* werd ooit de hypothese geopperd dat pulsars wel eens signalen van buitenaardse beschavingen konden zijn die onderling contact zochten in het heelal. Het astronomentweetal sloot destijds uit dat het signaal van de aarde afkomstig was omdat het niet terugkwam op dezelfde positie aan de hemel na een periode van precies 24 uur, maar na een siderische dag. Bell en Hewish gaven hun ontdekking zelfs eerst de naam ‘Little Green Men’. Echter kort na hun ontdekking werd de bron van het signaal door Thomas Gold en Fred Hoyle geïdentificeerd als een snel roterende neutronenster. Nu na ruim vijftig jaar geven computerplasmasimulaties meer helderheid in het fenomeen pulsar. Zulke heldere pulsen worden geproduceerd door een coherent, maar tot op heden onduidelijk, stralingsmechanisme. Onderzoek van astrofysicus Alexander Philippov, Andrey Timokhin, en collega’s van het Flatiron Institute in New York beschrijft een nieuw voorstel om deze coherente emissie te verklaren. Hun berekeningen, uitgevoerd in een vereenvoudigd 2D-model – suggereren dat straling met de gewenste coherentie-eigenschappen kan worden geproduceerd via een fluctuerend processubmilliseconde lange cycli – dat elektron-positronparen genereert nabij de pulsar. Het wetenschappelijk artikel van Philippov e.a. werd recent geplaatst in ‘Physical Review Letters’.**

Pulsar credits; NASA

Uit de plasmasimulaties van Philippov e.a. bleek dat het elektrische veld van een pulsar geladen deeltjes versnelt, die hoogenergetische protonen produceren die interageren met het magnetische veld van een pulsar. Deze interactie resulteert in de vorming van elektron-positronparen die op hun beurt hun eigen elektrische velden creëren die vervolgens het initiële elektrische veld van een pulsar dempen. Als gevolg hiervan wordt het zo zwak dat het begint te oscilleren tussen negatieve en positieve waarden. Wanneer deze oscillaties niet zijn uitgelijnd met het sterke magnetische veld van een pulsar, produceren ze bundels van EM straling.

De pulsars’ rotatie zorgt voor de emissie van bundels EM-straling uit de polen. In astrofysische omgevingen betreft deze emissie meestal plasma’s. Coherentie kan worden gegenereerd wanneer de geladen deeltjes van het plasma zich ophopen langs dezelfde banen in de ruimte. Pulsarplasma is een elektron-positronplasma en komt van paarproductie van energetische fotonen, die worden uitgezonden door deeltjes die worden versneld in het elektrische veld dat wordt veroorzaakt door het roterende magnetische veld van de pulsar. In een pulsar kunnen fotonen voldoende energie hebben en kan het magnetische veld voldoende sterk zijn om dit paarproductiemechanisme zeer efficiënt te laten zijn. Dit proces kan cascades veroorzaken – fotonen produceren paren die meer fotonen uitstralen die meer paren produceren, wat leidt tot dichte plasma’s. De geproduceerde paren bewegen langs de lijnen van het magnetische veld met relativistische snelheden met een grote spreiding van snelheden en zijn ongelijk verdeeld in de ruimte.

Timokhin simuleerde paarcascades in 1D en ontdekte dat, aangezien deeltjes worden versneld door het elektrische veld en hoogenergetische fotonen uitzenden, ze een boost van elektron-positronparen produceren die het elektrische veld volledig afschermen. Deze afscherming stopt de acceleratie en dus de productie van paren. Het veld verdwijnt pas weer nadat de paren de regio hebben verlaten, wat een fractie van een milliseconde in beslag neemt. Men ontdekte ook dat deze periodieke afscherming sterke, superluminale elektrostatische golven veroorzaakte. In 1D kunnen deze golven echter niet veranderen in zich voortplantende, coherente EM-golven, aangezien golfvoortplanting elektrische veldcomponenten vereist die orthogonaal zijn t.o.v. het magnetische veld.

M.b.v. 2D-simulaties modelleerde men de plasmadynamica over een groter gebied nabij het pulsaroppervlak. Men ontdekte dat de elektrostatische golven inderdaad EM-golven opwekten. Deze generatie is mogelijk daar het elektrische veld rond pulsaire polen niet uniform is, daar het moet verdwijnen aan de grens van het volledig geleidende gebied dat gevuld is met plasma. Het team toonde aan dat deze geometrie resulteert in een oscillerend elektrisch veld met een component loodrecht op het statische magnetische veld – wat nodig is om een  EM-golf te vormen. Daar deze golf wordt opgewekt door de collectieve plasmabeweging en niet door de emissie van individuele deeltjes, is hij coherent. Zo kunnen de inherente pulsatiemechanismen van paarproductie en afscherming van elektrische velden automatisch coherente radioemissie produceren. De onderzoekers toonden dat de spectra van de golven die door dit mechanisme worden geproduceerd, consistent zijn met die van pulsars. Het 2D-model werkte met deeltjesenergie die beperkt is tot aanzienlijk lagere waarden dan die van een echte pulsar, daarom blijft de vraag open, zijn de paargeïnduceerde golven voldoende helder om overeen te komen met waarnemingen? Een 3D-simulatie van een groter gebied in de ruimte zou meer inzicht kunnen geven. Desalniettemin is het een stap vooruit in kennis over het pulsar-radio-emissiemechanisme.

Volgens Philippov lijkt het proces op dat van bliksem; “Vanuit het niets verschijnt er een zeer krachtige ontlading die een wolk van electronen en positronen produceert, en dan, als een soort nagloed, zijn er de electromagnetische golven.” Het onderzoek zal gebruikt worden voor projecten waarin pulsaremissies een grote rol spelen, met name in de studie naar gravitatiegolven***, welke voor het eerst ontdekt werden in 2015 en bij nog sterkere gemagnetiseerde neutronensterren, magnetars genaamd, die mysterieuze extragalactische snelle radiostoten (FRB) produceren. Bronnen; Physics.aps / ESA

*Pulsars benaderen soms de nauwkeurigheid van atoomklokken wat nauwkeurige metingen aan de baan van de pulsar mogelijk maakt. De eerste exoplaneet werd dan ook ontdekt in baan om een pulsar.

**https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.245101

***De hoge dichtheid veroorzaakt een extreem sterke zwaartekracht en daarmee een kromming van de tijdruimte.Door waarnemingen aan het baanverval van de dubbel-pulsar PSR B1913+16 kon bewijs geleverd worden voor het bestaan van de door Albert Einstein voorspelde zwaartekrachtgolven.

Speak Your Mind

*

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: