「盒子里的脈衝星」揭示中子星周圍壯觀景象

一個國際科學家小組正在研究一種計算機模擬的「盒子里的脈衝星」，對旋轉中子星(也被稱為脈衝星)的複雜高能環境有更詳細了解。該模型追蹤了中子星附近磁場和電場中帶電粒子的路徑，揭示了脈衝星如何以超精確的時間發射伽瑪射線和射電脈衝的行為。美國宇航局位於馬里蘭綠帶的戈達德航天飛行中心和米蘭大學的天體物理學家加布里埃萊·布蘭比拉(Gabriel Ele Brambilla)說：從1967年發現脈衝星時起，我們就開始努力了解它們是如何做到這一點，現在仍在努力研究。即使有今天可用的計算能力，追蹤脈衝星極端環境中粒子物理學仍然是一個相當大的挑戰。

博科園-科學科普：脈衝星是一顆大質量恆星的破碎核心，它耗盡了燃料，在自身重量下崩潰，並以超新星的形式爆炸。引力使比太陽質量還大的物體變成一個不比紐約市曼哈頓島更寬的球，同時加速旋轉並加強磁場。脈衝星每秒能旋轉數千次，並能產生已知最強的磁場。這些特性也使脈衝星產生強大的動力，具有超強的電場，可以將粒子從表面撕裂並加速發射到太空。美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡已經探測到216顆脈衝星發出的伽馬射線。觀測表明，高能發射比射電脈衝離中子星更遠。但這些信號究竟是在哪裡以及如何產生的，目前仍不得而知。

本文所有圖片均為模擬視頻的部分截圖，圖片：NASA』s Goddard Space Flight Center

各種物理過程確保了脈衝星周圍的大多數粒子要麼是電子，要麼是它們的反物質——正電子。在脈衝星磁極上，從表面拉來的電子可能具有與地球上最強大的粒子加速器所能達到能量相當的能量。2009年費米從蟹狀星雲脈衝星中發現了強大的伽瑪射線耀斑，這表明電子的能量要高出1000倍。快速電子通過一個叫做曲率輻射的過程發射伽瑪射線，這是光的最高能量形式。一個伽馬射線光子反過來可以與脈衝星的磁場相互作用，從而將其轉換成一對粒子，一個電子和一個正電子。為了追蹤這些粒子的行為和能量，研究人員使用了一種比較新型的脈衝星模型，稱為PIC模擬。

戈達德的Constantinos Kalapotharakos領導了該項目的計算機代碼開發。在過去的五年里，美國新澤西州普林斯頓大學和紐約哥倫比亞大學的研究小組已經將PIC方法應用到類似的天體物理環境中。PIC技術讓我們從第一原理出發探索脈衝星，從一個旋轉、磁化的脈衝星開始，在表面注入電子和正電子，跟蹤它們如何與場相互作用以及它們的去向。這個過程是計算密集型的，因為粒子運動影響電場和磁場，磁場影響粒子，一切都在接近光速。模擬表明大多數電子傾向於從磁極向外運動。另一方面正電子主要從低緯度流出，形成了一種相對較薄的結構，稱為流片。

事實上這裡能量最高的正電子（不到總正電子的0.1%）能夠產生與費米探測到的類似的伽馬射線，證實了早期研究的結果。這些粒子中的一些可能會在電流片內磁場重新連接點上產生巨大能量，這個過程將儲存的磁能量轉化為熱量和粒子加速度。一個中等能量的電子群表現出非常奇怪的行為，向任何方向散射，甚至向脈衝星散射。當脈衝星旋轉時，這些粒子會隨著磁場移動，磁場會向後掃向外。它們的轉速隨著距離的增加而上升，但這隻能持續很長時間，因為物質不能以光速運動。等離子體的旋轉速度達到光速的距離被天文學家稱為光圓柱，它標誌著一個突變區域。

當電子接近時突然減速，許多分散開來，其他的可以滑過光圓柱體進入太空。在戈達德美國宇航局氣候模擬中心的「發現」超級計算機和加州矽谷美國宇航局艾姆斯研究中心的昴宿星超級計算機上進行了模擬。這個模型實際上是跟蹤「宏觀粒子」，每個粒子都代表了數萬億個電子或正電子。其研究發表在《天體物理學雜誌》上。到目前為止，我們缺乏一個全面的理論來解釋中子星的所有觀測結果。這告訴我們還不能完全理解脈衝星周圍的等離子環境的起源、加速度和其他特性。隨著圖片模擬變得越來越複雜，可以期待一個更清晰的畫面。

博科園-科學科普｜來自：NASA

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