Electrones (azul) y positrones (rojo) de un pĂșlsar simulado por ordenador.
GIF: NASA’s Goddard Space Flight Center/Gizmodo

Un nuevo modelo calculado por ordenador estĂĄ revelando los comportamientos nunca vistos y, a menudo extraños, de las partĂ­culas que fluyen alrededor de las estrellas de neutrones que giran a gran velocidad, tambiĂ©n conocidas como pĂșlsares.

Una nueva investigaciĂłn dirigida por el astrofĂ­sico de la NASA Gabriele Brambilla, muestra los caminos que siguen las partĂ­culas cargadas atrapadas en los campos elĂ©ctricos y magnĂ©ticos que hay cerca de los pĂșlsares. El trabajo se basa en un nuevo mĂ©todo para simular estos pĂșlsares, y ofrece una visiĂłn sin precedentes del funcionamiento interno de estas exĂłticas formaciones celestes.

Los pĂșlsares son los restos aplastados de estrellas masivas que se quedaron sin energĂ­a, colapsaron y luego explotaron como una supernova. Estas estrellas de neutrones que rotan concentran una enorme cantidad de masa en un pequeño espacio; un pĂșlsar de tamaño medio es del tamaño de Manhattan, pero contiene mĂĄs masa que el Sol. A medida que giran –a menudo mil vueltas por segundo–generan los campos magnĂ©ticos mĂĄs poderosos que han descubierto hasta el momento los astrofĂ­sicos. Al mismo tiempo, los fuertes campos elĂ©ctricos arrancan partĂ­culas de la superficie de la estrella de neutrones, arrojĂĄndolas al espacio. Desde la Tierra, podemos ver rotando el haz de rayos gamma de un pĂșlsar y captar pulsos de radio a intervalos completamente regulares, un efecto que a menudo se compara con el haz de luz de un faro.

Los pĂșlsares son como una serie de experimentos gigantescos hechos por un acelerador de partĂ­culas, que flotan en el espacio y tienen una fĂ­sica muy extraña, tanto a escala micro como macro. Los astrĂłnomos han estado estudiando los pĂșlsares durante mĂĄs de 50 años, pero aĂșn no pueden explicar por completo lo que estĂĄn observando. No hace falta decir que no podemos crear estas condiciones extremas en la Tierra, ni podemos observar estos objetos desde cerca, el mĂĄs cercano de los cuales estĂĄ a unos 770 años luz de la Tierra. Es por eso que Brambilla y sus colegas recurrieron a modelos hechos por ordenador para aprender mĂĄs sobre los pĂșlsares y cĂłmo afectan al comportamiento de las partĂ­culas cargadas.

Para el nuevo estudio, publicado esta semana en el Astrophysical Journal, los cientĂ­ficos recurrieron a una forma relativamente nueva para modelar los pĂșlsares: un sistema de simulaciĂłn conocido como PIC (particle-in-cell).

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“La tĂ©cnica de PIC nos permite explorar el pĂșlsar desde sus comienzos. Empezamos con un pĂșlsar magnetizado giratorio, inyectamos electrones y positrones en su superficie, y rastreamos cĂłmo interactĂșan con los campos y hacia dĂłnde se dirigen”, dijo en un comunicado Constantinos Kalapotharakos, coautor del estudio y cientĂ­fico en el Goddard Space Flight Center de la NASA. “El proceso es computacionalmente intensivo porque los movimientos de las partĂ­culas afectan a los campos elĂ©ctrico y magnĂ©tico y los campos afectan las partĂ­culas, y todo se estĂĄ moviendo a casi la velocidad de la luz”.

Esta simulación de PIC se llevó a cabo en un par de superordenadores de la NASA: el superordenador Discover en el Centro de Simulación Climåtica de la NASA, y el superordenador de las Pléyades en el Centro de Investigación Ames de California. Increíblemente, el modelo PIC rastrea el movimiento de cada partícula, que en conjunto representa billones de electrones y sus equivalentes de antimateria, los positrones.

La nueva simulaciĂłn por ordenador mostrĂł a los cientĂ­ficos movimientos que nunca antes habĂ­an considerado. Por ejemplo, los investigadores observaron cĂłmo la mayorĂ­a de los electrones viajaban hacia afuera de los polos magnĂ©ticos del pĂșlsar. Mientras tanto, los positrones salieron despedidos a altitudes mĂĄs bajas, formando estructuras delgadas denominadas “hojas actuales”.

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La NASA explicĂł algunas de las otras observaciones que realizaron en el estudio:

Es probable que algunas de estas partículas sufran un aumento enorme de energía en algunos puntos dentro de la hoja actual donde el campo magnético experimenta una reconexión, un proceso que convierte la energía magnética almacenada en calor y aceleración de partículas.

Una poblaciĂłn de electrones de energĂ­a media mostrĂł un comportamiento realmente extraño, dispersĂĄndose en todas direcciones, incluso de regreso hacia el pĂșlsar.

Las partĂ­culas se mueven con el campo magnĂ©tico, que se arrastra hacia atrĂĄs y se extiende hacia afuera a medida que el pĂșlsar gira. Su velocidad de rotaciĂłn aumenta a medida que aumenta la distancia, pero esto no puede durar mucho tiempo ya que la materia no puede viajar a la velocidad de la luz.

La distancia a la que la velocidad de rotaciĂłn del plasma alcanzarĂ­a la velocidad de la luz es una caracterĂ­stica que los astrĂłnomos llaman cilindro de luz y marca una regiĂłn de un cambio abrupto. A medida que los electrones se acercan, disminuyen la velocidad de repente y muchos se dispersan violentamente. Otros pueden deslizarse mĂĄs allĂĄ del cilindro de luz y salir al espacio.

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Si esto suena un poco crĂ­ptico, te recomiendo que veas la simulaciĂłn visual (que aparece en el vĂ­deo de arriba) y que ilustra estos procesos bastante bien.

Es fĂĄcil comprender por quĂ© los pĂșlsares generan tanto entusiasmo a los fĂ­sicos, pero los astrobiĂłlogos y los cientĂ­ficos de SETI tambiĂ©n pueden encontrarlos valiosos. La investigaciĂłn publicada el año pasado sugerĂ­a que unos alienĂ­genas mĂĄs avanzados serĂ­an mĂĄs propensos a construir megaestructuras para recolectar energĂ­a alrededor de los pĂșlsares que en las estrellas normales. La razĂłn es que los pĂșlsares concentran su energĂ­a en haces, en lugar de dispersarlos en todas las direcciones, como suelen hacer casi todas las estrellas.

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En cualquier caso, Brambilla y sus compañeros esperan realizar nuevas simulaciones de los pĂșlsares con el fin de comprender mejor sus intensas magnetosferas, y cĂłmo se diferencian unos pĂșlsares de otros.

[Astrophysical Journal]