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

Un nuevo modelo calculado por ordenador est√° revelando los comportamientos nunca vistos y, a menudo extra√Īos, de las part√≠culas que fluyen alrededor de las estrellas de neutrones que giran a gran velocidad, tambi√©n conocidas como p√ļlsares.

Una nueva investigaci√≥n dirigida por el astrof√≠sico de la NASA Gabriele Brambilla, muestra los caminos que siguen las part√≠culas cargadas atrapadas en los campos el√©ctricos y magn√©ticos que hay cerca de los p√ļlsares. El trabajo se basa en un nuevo m√©todo para simular estos p√ļlsares, y ofrece una visi√≥n sin precedentes del funcionamiento interno de estas ex√≥ticas formaciones celestes.

Los p√ļlsares son los restos aplastados de estrellas masivas que se quedaron sin energ√≠a, colapsaron y luego explotaron como una supernova. Estas estrellas de neutrones que rotan concentran una enorme cantidad de masa en un peque√Īo espacio; un p√ļlsar de tama√Īo medio es del tama√Īo de Manhattan, pero contiene m√°s masa que el Sol. A medida que giran ‚Äďa menudo mil vueltas por segundo‚Äďgeneran los campos magn√©ticos m√°s poderosos que han descubierto hasta el momento los astrof√≠sicos. Al mismo tiempo, los fuertes campos el√©ctricos arrancan part√≠culas de la superficie de la estrella de neutrones, arroj√°ndolas al espacio. Desde la Tierra, podemos ver rotando el haz de rayos gamma de un p√ļlsar 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 p√ļlsares son como una serie de experimentos gigantescos hechos por un acelerador de part√≠culas, que flotan en el espacio y tienen una f√≠sica muy extra√Īa, tanto a escala micro como macro. Los astr√≥nomos han estado estudiando los p√ļlsares durante m√°s de 50 a√Īos, pero a√ļn no pueden explicar por completo lo que est√°n observando. No hace falta decir que no podemos crear estas condiciones extremas en la Tierra, ni podemos observar estos objetos desde cerca, el m√°s cercano de los cuales est√° a unos 770 a√Īos luz de la Tierra. Es por eso que Brambilla y sus colegas recurrieron a modelos hechos por ordenador para aprender m√°s sobre los p√ļlsares y c√≥mo afectan al comportamiento de las part√≠culas cargadas.

Para el nuevo estudio, publicado esta semana en el Astrophysical Journal, los cient√≠ficos recurrieron a una forma relativamente nueva para modelar los p√ļlsares: un sistema de simulaci√≥n conocido como PIC (particle-in-cell).

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‚ÄúLa t√©cnica de PIC nos permite explorar el p√ļlsar desde sus comienzos. Empezamos con un p√ļlsar magnetizado giratorio, inyectamos electrones y positrones en su superficie, y rastreamos c√≥mo interact√ļan con los campos y hacia d√≥nde se dirigen‚ÄĚ, dijo en un comunicado Constantinos Kalapotharakos, coautor del estudio y cient√≠fico en el Goddard Space Flight Center de la NASA. ‚ÄúEl proceso es computacionalmente intensivo porque los movimientos de las part√≠culas afectan a los campos el√©ctrico y magn√©tico y los campos afectan las part√≠culas, y todo se est√° moviendo a casi la velocidad de la luz‚ÄĚ.

Esta simulación de PIC se llevó a cabo en un par de superordenadores de la NASA: el superordenador Discover en el Centro de Simulación Climática 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 simulaci√≥n por ordenador mostr√≥ a los cient√≠ficos movimientos que nunca antes hab√≠an considerado. Por ejemplo, los investigadores observaron c√≥mo la mayor√≠a de los electrones viajaban hacia afuera de los polos magn√©ticos del p√ļlsar. Mientras tanto, los positrones salieron despedidos a altitudes m√°s bajas, formando estructuras delgadas denominadas ‚Äúhojas actuales‚ÄĚ.

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La NASA explicó 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 poblaci√≥n de electrones de energ√≠a media mostr√≥ un comportamiento realmente extra√Īo, dispers√°ndose en todas direcciones, incluso de regreso hacia el p√ļlsar.

Las part√≠culas se mueven con el campo magn√©tico, que se arrastra hacia atr√°s y se extiende hacia afuera a medida que el p√ļlsar gira. Su velocidad de rotaci√≥n 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 rotación del plasma alcanzaría la velocidad de la luz es una característica que los astrónomos llaman cilindro de luz y marca una región de un cambio abrupto. A medida que los electrones se acercan, disminuyen la velocidad de repente y muchos se dispersan violentamente. Otros pueden deslizarse más allá del cilindro de luz y salir al espacio.

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

Es f√°cil comprender por qu√© los p√ļlsares generan tanto entusiasmo a los f√≠sicos, pero los astrobi√≥logos y los cient√≠ficos de SETI tambi√©n pueden encontrarlos valiosos. La investigaci√≥n publicada el a√Īo pasado suger√≠a que unos alien√≠genas m√°s avanzados ser√≠an m√°s propensos a construir megaestructuras para recolectar energ√≠a alrededor de los p√ļlsares que en las estrellas normales. La raz√≥n es que los p√ļlsares concentran su energ√≠a 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 compa√Īeros esperan realizar nuevas simulaciones de los p√ļlsares con el fin de comprender mejor sus intensas magnetosferas, y c√≥mo se diferencian unos p√ļlsares de otros.

[Astrophysical Journal]