解决了50年的宇宙之谜：为什么脉冲星闪耀明亮

脉冲星是快速旋转的中子星，它们发出狭窄的扫掠无线电波。一项新研究确定了那些无线电波的起源。

新的等离子体模拟表明，快速旋转的恒星产生的强烈无线电辐射是由新生粒子与强大的电磁场相互作用引起的。

1967年，乔斯林·贝尔（Jocelyn Bell）首次观察到脉冲星的发射时，无线电波的有节奏脉冲使天文学家感到困惑，以至于他们考虑光是否可能是外星文明发出的信号。

星星就像恒星的灯塔，从它们的磁极发射无线电波。半个多世纪以来，这些光束的成因一直困扰着科学家。现在，一组研究人员怀疑他们终于确定了负责任的机制。该发现可以帮助依赖脉冲星发射时间的项目，例如重力波研究。

研究人员的提议始于脉冲星的强电场，该电场将恒星表面的电子撕裂并将其加速为极限能量。加速的电子最终开始发射高能伽马射线。当被脉冲星的超强磁场吸收时，这些伽马射线会产生大量的电子及其反物质对应的正电子。

新生的带电粒子会衰减电场，使其振荡。然后，在脉冲星强大磁场的作用下，波动的电场会导致电磁波泄漏到太空中。通过等离子体模拟，研究人员发现这些电磁波与从脉冲星观测到的无线电波相匹配。

中子星表面附近电子-正电子等离子体的模拟密度分布（在图的底部以灰色显示）。红色区域代表较高密度的电子-正电子对。

研究的主要作者亚历山大·菲利波夫（Alexander Philippov）说：“这个过程很像闪电。”纽约熨斗研究所的计算天体物理学中心副研究员。“在任何地方，您都会产生强大的放电，产生一团电子和正电子云，然后，作为余辉，会产生电磁波。”

Philippov及其合作者来自波兰的ZielonaGóra大学的Andrey Timokhin和普林斯顿大学的Anatoly Spitkovsky今天（2020年6月15日）在《物理评论快报》中介绍了他们的发现。

脉冲星是中子星，是坍塌星的密集且高度磁化的残骸。与其他中子星不同，脉冲星以令人眩目的速度旋转，其中一些每秒旋转700次以上。旋转会产生强大的电场。

在脉冲星的两个磁极上，连续的无线电波束爆炸进入太空。这些无线电发射的特殊之处在于它们是相干的，这意味着创建它们的粒子彼此同步移动。随着脉冲星的旋转，光束以圆圈的形式扫过天空。当光束从我们的视线移进和移出时，脉冲星似乎从地球闪烁。这些闪烁的时间是如此精确，以至于可以与原子钟的准确性相媲美。

几十年来，天文学家一直在思考这些射线的起源，但未能给出可行的解释。Philippov，Timokhin和Spitkovsky通过对脉冲星磁极周围的等离子体进行2D模拟（以前的模拟仅为1D，无法显示电磁波），从而采用了一种新的方法来解决该问题。

他们的模拟复制了脉冲星电场如何加速带电粒子。这种加速产生了高能量的光子，这些光子与脉冲星的强磁场相互作用，产生电子-正电子对，然后通过电场对其进行加速，从而产生更多的光子。这种失控过程最终使电子-正电子对充满了该区域。

在模拟中，电子-正电子对创建自己的电场，该电场与初始电场相反并对其进行衰减。最终，原始电场变得如此微弱，以至于它达到零并开始在负值和正值之间振荡。如果不与脉冲星的强磁场完全对准，则该振荡电场会产生电磁辐射。

研究人员计划扩大他们的模拟范围，以更接近脉冲星的真实世界，并进一步探究该过程的工作原理。Philippov希望他们的工作最终将改善依靠精确观测脉冲星发射到达地球的时间的研究。例如，引力波天文学家测量脉冲星正时的微小波动，以检测引力波对时空结构的拉伸和压缩。

“如果您了解发射本身是如何产生的，则希望我们也能产生一个脉冲星钟中的误差模型，该模型可用于改进脉冲星时序阵列。” Philippov说。另外，他说，更深入的理解可以帮助解决由中子星发出的周期性无线电波的神秘来源，即所谓的快速无线电波。

参考：亚历山大·菲利波夫（Alexander Philippov），安德烈·提莫欣（Andrey Timokhin）和阿纳托利·斯皮科夫斯基（Anatoly Spitkovsky）撰写的“脉冲星无线电发射的起源”，2020年6月15日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.124.245101