Finalmente, podemos saber cómo el plasma explota a través de los locos campos magnéticos de las estrellas de neutrones

Nuevos cálculos de físicos aburridos nos han acercado un poco más a la comprensión de cómo el material puede caer sobre las estrellas de neutrones para lanzar poderosas explosiones de luz de rayos X.

Si se atrae gravitacionalmente suficiente plasma a la estrella muerta de un compañero binario, su masa es suficiente para forzar un camino a través de la barrera creada por el poderoso campo magnético de la estrella de neutrones, abriéndose camino hacia la atmósfera de la estrella de neutrones.

Es una parte importante del antiguo misterio sin resolver de la acumulación de estrellas de neutrones y las erupciones de rayos X. El hallazgo podría ayudarnos a comprender mejor el comportamiento del plasma en los campos magnéticos, algo que podría ser aplicable al desarrollo de la fusión del plasma aquí en la Tierra.

“Esta investigación comenzó con preguntas abstractas”, dijo el físico de plasma Russell Kulsrud del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton.

“¿Cómo puede la materia de una estrella compañera atravesar el poderoso campo magnético de una estrella de neutrones para producir rayos X, y qué causa los cambios observados en esos campos?”

Las estrellas de neutrones se encuentran entre los objetos más densos del Universo. Son lo que sucede cuando una estrella de cierta masa (entre 8 y 30 veces la masa del Sol) llega al final de su vida útil de secuencia principal y muere.

El material de la estrella exterior se expulsa en una explosión de supernova, mientras que el núcleo de la estrella colapsa gravitacionalmente, formando una esfera compacta y ultradensa que, durante millones de años, dejará de brillar; lo único que la mantiene brillante es el calor residual.

Cuando decimos denso, queremos decir denso, también. Lo único más denso es un calabozo (que, si la estrella precursora tuviera más de 30 masas solares, el núcleo se habría derrumbado). Una estrella de neutrones tiene alrededor de 1,5 veces la masa del Sol, empaquetada en algo de unos 10 kilómetros (6,2 millas) de diámetro.

Estos objetos extremos cuelgan en el espacio, normalmente con un campo magnético. billones de veces más fuerte que la Tierra. A veces, están acompañados por un compañero binario, a una distancia lo suficientemente cercana como para que la estrella de neutrones pueda capturar y acumular material de la atmósfera del compañero.

Cuando esto sucede, el material forma un disco que se alimenta de la estrella de neutrones, ganando energía a medida que acelera debido a la gravedad. Esta energía se escapa en forma de radiación X, a menudo concentrada en columnas o puntos calientes en los polos de la estrella de neutrones. Sabemos que esto sucede; lo hemos observado. Pero quedaba la cuestión de cómo el plasma puede atravesar el campo magnético.

Afortunadamente, Kulsrud tenía algo de tiempo libre.

“Cuando el pandemia comenzó y todos estaban confinados en sus hogares, decidí tomar el modelo de una estrella de neutrones y resolver algunas cosas “. él explicó.

Él y su colega, el astrofísico Rashid Sunyaev del Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania, llevaron a cabo modelos matemáticos para determinar si el plasma se ancla al campo magnético y lo arrastra, o se las arregla para deslizarse, dejándolo intacto.

Según sus cálculos, es lo último. Si la masa del plasma que cae es lo suficientemente alta, puede ejercer presión gravitacional sobre el campo magnético. Esto produce una cascada de fluctuaciones en la fuerza del campo magnético, lo que resulta en una inestabilidad que permite que el plasma se escape.

Una vez que el plasma está en el otro lado, se canaliza a lo largo de las líneas del campo magnético de la estrella de neutrones hacia los polos, donde se acumula en la estrella de neutrones.

Según este modelo, el plasma que se acumula en el polo se vuelve demasiado pesado para permanecer apoyado en la superficie y se hunde en el interior de la estrella de neutrones. La presión interior adicional en los polos distorsiona el campo magnético. Con el tiempo, la presión hace que el plasma entrante se extienda por toda la superficie de la estrella de neutrones, generando radiación X global.

“La masa agregada en la superficie de la estrella de neutrones puede distorsionar la región exterior del campo magnético de la estrella”, Kulsrud dijo. “Si estás observando la estrella, deberías ver que la radiación emitida por el campo magnético cambiará gradualmente. Y de hecho esto es lo que vemos”.

El equipo señala que es poco probable que sus especulaciones se apliquen a todas las estrellas de neutrones, porque su tratamiento de la inestabilidad es aproximado. Sin embargo, los hallazgos predicen la forma cambiante del campo magnético a lo largo del tiempo, así como un resultado final.

En el transcurso de unas pocas decenas de miles de años, la estrella de neutrones aumentará gradualmente su masa, así como su radio a una velocidad de alrededor de un milímetro por año, alcanzando finalmente un estado estable para su campo magnético.

Y las matemáticas podrían tener aplicaciones en el desarrollo de reactores de fusión tokamak, que utilizan campos magnéticos para confinar el plasma.

“Aunque no hay aplicaciones directas de esta investigación al desarrollo de la energía de fusión, la física es paralela”. Kulsrud dijo.

“La difusión de energía a través de tokamaks, instalaciones de fusión en forma de rosquilla que se utilizan en todo el mundo, se asemeja a la difusión de materia a través del campo magnético de una estrella de neutrones”.

La investigación ha sido publicada en el Revista de física del plasma.

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