中子星周围壮观景象

一个国际科学家小组正在研究一种计算机模拟的“盒子里的脉冲星”，对旋转中子星(也被称为脉冲星)的复杂高能环境有更详细了解。该模型追踪了中子星附近磁场和电场中带电粒子的路径，揭示了脉冲星如何以超精确的时间发射伽玛射线和射电脉冲的行为。美国宇航局位于马里兰绿带的戈达德航天飞行中心和米兰大学的天体物理学家加布里埃莱·布兰比拉(Gabriel Ele Brambilla)说：从1967年发现脉冲星时起，我们就开始努力了解它们是如何做到这一点，现在仍在努力研究。即使有今天可用的计算能力，追踪脉冲星极端环境中粒子物理学仍然是一个相当大的挑战。

博科园-科学科普：脉冲星是一颗大质量恒星的破碎核心，它耗尽了燃料，在自身重量下崩溃，并以超新星的形式爆炸。引力使比太阳质量还大的物体变成一个不比纽约市曼哈顿岛更宽的球，同时加速旋转并加强磁场。脉冲星每秒能旋转数千次，并能产生已知最强的磁场。这些特性也使脉冲星产生强大的动力，具有超强的电场

可以将粒子从表面撕裂并加速发射到太空。美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜已经探测到216颗脉冲星发出的伽马射线。观测表明，高能发射比射电脉冲离中子星更远。但这些信号究竟是在哪里以及如何产生的，目前仍不得而知。

本文所有图片均为模拟视频的部分截图，图片：NASA’s Goddard Space Flight Center

各种物理过程确保了脉冲星周围的大多数粒子要么是电子，要么是它们的反物质——正电子。在脉冲星磁极上，从表面拉来的电子可能具有与地球上最强大的粒子加速器所能达到能量相当的能量。2009年费米从蟹状星云脉冲星中发现了强大的伽玛射线耀斑，这表明电子的能量要高出1000倍。快速电子通过一个叫做曲率辐射的过程发射伽玛射线，这是光的最高能量形式。一个伽马射线光子反过来可以与脉冲星的磁场相互作用，从而将其转换成一对粒子，一个电子和一个正电子。为了追踪这些粒子的行为和能量，研究人员使用了一种比较新型的脉冲星模型，称为PIC模拟。

戈达德的Constantinos Kalapotharakos领导了该项目的计算机代码开发。在过去的五年里，美国新泽西州普林斯顿大学和纽约哥伦比亚大学的研究小组已经将PIC方法应用到类似的天体物理环境中。PIC技术让我们从第一原理出发探索脉冲星，从一个旋转、磁化的脉冲星开始，在表面注入电子和正电子，跟踪它们如何与场相互作用以及它们的去向。这个过程是计算密集型的，因为粒子运动影响电场和磁场，磁场影响粒子，一切都在接近光速。模拟表明大多数电子倾向于从磁极向外运动。另一方面正电子主要从低纬度流出，形成了一种相对较薄的结构，称为流片。

事实上这里能量最高的正电子（不到总正电子的0.1%）能够产生与费米探测到的类似的伽马射线，证实了早期研究的结果。这些粒子中的一些可能会在电流片内磁场重新连接点上产生巨大能量，这个过程将储存的磁能量转化为热量和粒子加速度。一个中等能量的电子群表现出非常奇怪的行为，向任何方向散射，甚至向脉冲星散射。当脉冲星旋转时，这些粒子会随着磁场移动，磁场会向后扫向外。它们的转速随着距离的增加而上升，但这只能持续很长时间，因为物质不能以光速运动。等离子体的旋转速度达到光速的距离被天文学家称为光圆柱，它标志着一个突变区域。

当电子接近时突然减速，许多分散开来，其他的可以滑过光圆柱体进入太空。在戈达德美国宇航局气候模拟中心的“发现”超级计算机和加州硅谷美国宇航局艾姆斯研究中心的昴宿星超级计算机上进行了模拟。这个模型实际上是跟踪“宏观粒子”，每个粒子都代表了数万亿个电子或正电子。其研究发表在《天体物理学杂志》上。到目前为止，我们缺乏一个全面的理论来解释中子星的所有观测结果。这告诉我们还不能完全理解脉冲星周围的等离子环境的起源、加速度和其他特性。随着图片模拟变得越来越复杂，可以期待一个更清晰的画面。

博科园-科学科普｜来自：NASA

博科园-传递宇宙科学之美

阅读原文进入可下载iOS或安卓App：博科园