De jeunes scientifiques de l'Université ITMO ont expliqué comment les étoiles à neutrons génèrent une émission radio dirigée intense. Ils ont développé un modèle basé sur les transitions des particules entre les états gravitationnels, c'est-à-dire des états quantiques dans un champ gravitationnel. Les chercheurs ont été les premiers à décrire de tels états pour les électrons à la surface des étoiles à neutrons. Les paramètres physiques obtenus avec le modèle développé sont cohérents avec les observations expérimentales réelles. Les résultats sont publiés dans Le Journal d'Astrophysique .
Les étoiles à neutrons sont parmi les objets astronomiques les plus étonnants car leur densité n'est surpassée que par les trous noirs. A l'intérieur des étoiles à neutrons, il n'y a pas d'atomes et de noyaux individuels. De plus, en raison d'une telle densité, les étoiles à neutrons ont une gravité énorme, qui se traduit par des propriétés physiques uniques telles que l'émission radio dirigée, qui a joué un rôle majeur dans la découverte des étoiles à neutrons.
Sur Terre, le rayonnement des étoiles à neutrons a été observé pour la première fois en 1967 sous forme de signaux périodiques, amenant initialement les scientifiques à suggérer qu'il pourrait provenir d'une civilisation extraterrestre. Cependant, les chercheurs ont vite appris que le rayonnement des étoiles à neutrons était d'origine naturelle et ne contenait aucune information particulière. Sa périodicité stricte s'est avérée être le résultat d'un chemin de propagation inhabituel. Les étoiles à neutrons émettent des ondes radio sous la forme d'un faisceau étroit qui "brille" à travers l'espace comme un phare pendant que l'étoile tourne. Par conséquent, l'émission radio des étoiles à neutrons est observée sous forme de pulsations périodiques.
L'une des questions les plus déroutantes de la physique des étoiles à neutrons est le mécanisme qui génère une telle émission radio dirigée. Au cours des cinquante dernières années, les scientifiques n'ont pas pu trouver de réponse claire à cette question. Récemment, une équipe de physiciens théoriciens de l'Université ITMO a décrit comment les pulsars génèrent des émissions radio. Ils ont développé un modèle théorique basé sur les états similaires observés dans les électrons dans les nanocristaux semi-conducteurs et ceux dans les champs gravitationnels.
Les scientifiques ont examiné comment les électrons se déplacent près de la surface d'une étoile à neutrons. Les électrons ne peuvent pas traverser la surface en raison de la forte densité de matière à l'intérieur de l'étoile. Simultanément, les électrons sont attirés à la surface de l'étoile par une forte gravité. Par conséquent, les particules sont "piégées" dans une fine couche juste au-dessus de la surface de l'étoile. Selon les lois de la mécanique quantique, l'énergie des électrons piégés ne peut prendre que des valeurs discrètes. Si les électrons tombent sur la surface de l'étoile à neutrons, ils passent sur les états de gravité discrets, émettant de l'énergie sous forme de faisceaux d'ondes radio.
"L'environnement à la surface d'une étoile à neutrons est très similaire à celui qui existe à l'intérieur d'un laser, " explique Nikita Teplyakov, chercheur au Laboratoire de Modélisation et Conception de Nanostructures de l'Université ITMO. "Il existe ce qu'on appelle l'inversion de population, ce qui signifie que l'environnement est riche en particules à haute énergie. Au fur et à mesure qu'ils se déplacent vers les niveaux d'énergie inférieurs, ils émettent des radiations qui amènent également les particules voisines à réduire leur énergie. Nous avons évalué la fréquence des transitions d'électrons entre les conditions gravitationnelles sur une étoile à neutrons et constaté qu'elles correspondent à la bande radio. Nous n'avons même jamais soupçonné que c'était quelque chose que personne n'avait fait auparavant, mais il s'est avéré que nous étions, En effet, la première."
Selon les chercheurs, cette étude a commencé dans un cours de mécanique quantique alors qu'ils travaillaient sur une tâche. "La tâche était assez triviale :nous devions décrire l'état gravitationnel à la surface de la Terre. Mais sur Terre, la gravité n'est pas très forte, donc aucun effet intéressant n'émerge; il est presque impossible d'observer les conditions de gravité ici. Par conséquent, notre professeur Yuri Rozhdestvensky a suggéré que nous fassions la même tâche pour une étoile à neutrons avec une forte gravité. Quand nous avons réalisé que nous étions tombés sur quelque chose d'intéressant, nous avons commencé à développer un modèle. Il s'est avéré que nous avons obtenu une description assez précise des données expérimentales, " dit Tatiana Vovk, membre du Laboratoire de Modélisation et Conception de Nanostructures.
Les auteurs notent que malgré ses révélations, ce travail emploie des principes de physique simples et bien connus. À savoir, le mécanisme d'amplification d'émission radio pour les étoiles à neutrons est similaire à l'un des lasers conventionnels. À l'avenir, les scientifiques prévoient d'utiliser leur modèle pour une étude des états de gravitation d'autres objets massifs dans l'Univers.
