Une équipe internationale de scientifiques qui étudient ce qui équivaut à un « pulsar dans une boîte » simulé par ordinateur acquièrent une compréhension plus détaillée du complexe, environnement de haute énergie autour des étoiles à neutrons en rotation, aussi appelés pulsars. Le modèle trace les chemins des particules chargées dans les champs magnétiques et électriques près de l'étoile à neutrons, révélant des comportements qui peuvent aider à expliquer comment les pulsars émettent des impulsions de rayons gamma et radio avec une synchronisation ultraprécise.

"Les efforts pour comprendre comment les pulsars font ce qu'ils font ont commencé dès leur découverte en 1967, et nous y travaillons toujours, " a déclaré Gabriele Brambilla, un astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et l'Université de Milan qui a mené une étude sur la récente simulation. "Même avec la puissance de calcul disponible aujourd'hui, suivre la physique des particules dans l'environnement extrême d'un pulsar est un défi considérable."

Un pulsar est le noyau écrasé d'une étoile massive qui a manqué de carburant, s'est effondré sous son propre poids et a explosé comme une supernova. La gravité force plus de masse que celle du Soleil dans une boule pas plus large que l'île de Manhattan à New York, tout en accélérant sa rotation et en renforçant son champ magnétique. Les pulsars peuvent tourner des milliers de fois par seconde et exercer les champs magnétiques les plus puissants connus.

Ces caractéristiques font également des pulsars de puissantes dynamos, avec des champs électriques super puissants qui peuvent arracher les particules de la surface et les accélérer dans l'espace.

Le télescope spatial Fermi Gamma-ray de la NASA a détecté les rayons gamma de 216 pulsars. Les observations montrent que l'émission à haute énergie se produit plus loin de l'étoile à neutrons que les impulsions radio. Mais exactement où et comment ces signaux sont produits reste mal connu.

Divers processus physiques garantissent que la plupart des particules autour d'un pulsar sont soit des électrons, soit leurs homologues de l'antimatière, positrons.

"À quelques centaines de mètres au-dessus du pôle magnétique d'un pulsar, les électrons tirés de la surface peuvent avoir des énergies comparables à celles atteintes par les accélérateurs de particules les plus puissants de la Terre, " a déclaré Alice Harding de Goddard. " En 2009, Fermi a découvert de puissantes éruptions de rayons gamma du pulsar de la nébuleuse du Crabe qui indiquent la présence d'électrons avec des énergies mille fois plus grandes. »

Les électrons rapides émettent des rayons gamma, la forme de lumière la plus énergétique, par un processus appelé rayonnement de courbure. Un photon gamma peut, à son tour, interagir avec le champ magnétique du pulsar d'une manière qui le transforme en une paire de particules, un électron et un positon.

Pour retracer le comportement et les énergies de ces particules, Brambilla, Harding et leurs collègues ont utilisé un type de modèle de pulsar relativement nouveau appelé simulation de "particule dans la cellule" (PIC). Constantinos Kalapotharakos de Goddard a dirigé le développement du code informatique du projet. Au cours des cinq dernières années, la méthode PIC a été appliquée à des paramètres astrophysiques similaires par des équipes de l'université de Princeton dans le New Jersey et de l'université de Columbia à New York.

"La technique PIC nous permet d'explorer le pulsar dès les premiers principes. Nous commençons par un filage, pulsar magnétisé, injecter des électrons et des positons en surface, et suivre comment ils interagissent avec les champs et où ils vont, " Kalapotharakos a déclaré. " Le processus est intensif en calcul car les mouvements des particules affectent les champs électriques et magnétiques et les champs affectent les particules, et tout se déplace à la vitesse de la lumière."

La simulation montre que la plupart des électrons ont tendance à s'éloigner des pôles magnétiques. Les positons, d'autre part, s'écoulent principalement à des latitudes plus basses, formant une structure relativement mince appelée feuille courante. En réalité, les positons les plus énergétiques ici - moins de 0,1 pour cent du total - sont capables de produire des rayons gamma similaires à ceux détectés par Fermi, confirmant les résultats d'études antérieures.

Certaines de ces particules sont probablement stimulées à des énergies énormes à des points de la feuille de courant où le champ magnétique subit une reconnexion, un processus qui convertit l'énergie magnétique stockée en chaleur et en accélération de particules.

Une population d'électrons de moyenne énergie a montré un comportement vraiment étrange, se dispersant dans tous les sens, même vers le pulsar.

Les particules se déplacent avec le champ magnétique, qui recule et s'étend vers l'extérieur à mesure que le pulsar tourne. Leur vitesse de rotation augmente avec l'augmentation de la distance, mais cela ne peut durer que si longtemps parce que la matière ne peut pas voyager à la vitesse de la lumière.

La distance à laquelle la vitesse de rotation du plasma atteindrait la vitesse de la lumière est une caractéristique que les astronomes appellent le cylindre de lumière, et il marque une région de changement brusque. Au fur et à mesure que les électrons s'en approchent, ils ralentissent soudainement et beaucoup se dispersent sauvagement. D'autres peuvent passer devant le cylindre lumineux et sortir dans l'espace.

La simulation s'est déroulée sur le supercalculateur Discover du Centre de simulation climatique de la NASA à Goddard et le supercalculateur Pléiades du Centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley, Californie. Le modèle suit en fait les « macroparticules, " dont chacun représente plusieurs billions d'électrons ou de positrons. Un article décrivant les résultats a été publié le 9 mai dans The Astrophysical Journal.

"Jusque là, il nous manque une théorie complète pour expliquer toutes les observations que nous avons des étoiles à neutrons. Cela nous dit que nous ne comprenons pas encore complètement l'origine, l'accélération et d'autres propriétés de l'environnement du plasma autour du pulsar, " a déclaré Brambilla. " Alors que les simulations PIC deviennent de plus en plus complexes, nous pouvons nous attendre à une image plus claire."