トリッピーなコンピュータシミュレーションによって明らかにされたパルサーの隠された秘密

コンピューターでシミュレートされたパルサーからの電子(青)と陽電子(赤)。

新しいコンピューターモデルは、パルサーとしても知られる、急速に回転する中性子星の周りを流れる粒子の目に見えない、しばしば奇妙な振る舞いを明らかにしています。

NASAの天体物理学者GabrieleBrambillaが率いる新しい研究は、パルサーの近くの磁場と電場に捕らえられた荷電粒子がたどる経路を示しています。この作品はパルサーをモデル化する新しい方法に基づいており、これらのエキゾチックな天体の内部の仕組みを前例のない形で垣間見ることができます。

パルサーは、燃料を使い果たし、崩壊し、超新星として爆発した巨大な星の押しつぶされた残骸です。これらの渦巻く中性子星は、恐ろしい量の質量を小さな空間に詰め込みます。典型的なパルサーはマンハッタンとほぼ同じ大きさですが、太陽よりも多くの質量が含まれています。それらが回転するとき(しばしば毎秒1000回)、それらは天体物理学者に知られている最も強力な磁場を発揮します。同時に、強い電場が中性子星の表面の粒子を引き裂き、それらを宇宙に投げ出します。地球からは、パルサーのガンマ線と電波パルスの回転ビームを絶妙に一定の間隔で見ることができます。これは、灯台ビーコンの脈動ビームとよく比較される効果です。

パルサーは、宇宙に浮かぶ巨大な粒子加速器実験のようなものであり、ミクロスケールとマクロスケールの両方で、多くの奇妙な物理学を生み出します。天文学者は50年以上パルサーを研究してきましたが、彼らはまだ彼らが観察しているものを完全に説明することができません。言うまでもなく、私たちは地球上にこれらの極限状態を作り出すことはできません。また、これらの物体を間近で観察することもできません。最も近いものは地球から約770光年です。そのため、Brambillaと彼女の同僚は、パルサーとそれらが荷電粒子の振る舞いにどのように影響するかについてさらに学ぶためにコンピューターモデルに目を向けました。

今週AstrophysicalJournalに発表された新しい研究では、科学者たちはパルサーをモデル化する比較的新しい方法、つまりPICまたはパーティクルインセルとして知られるシミュレーションシステムに目を向けました。

「PIC技術により、第一原理からパルサーを探索することができます。回転する磁化されたパルサーから始めて、表面に電子と陽電子を注入し、それらがフィールドとどのように相互作用し、どこに行くかを追跡します」と、研究の共著者であり、NASAのゴダード宇宙飛行センターの科学者であるコンスタンチノスカラポタラコス、声明で述べた。「粒子の動きが電場と磁場に影響を与え、場が粒子に影響を与え、すべてが光速近くで動いているため、このプロセスは計算集約的です。」

PICシミュレーションは、NASAのスーパーコンピューターのペアで実行されました。NASAの気候シミュレーションセンターにあるDiscoverスーパーコンピューターと、カリフォルニアのAmes ResearchCenterにあるPleiadesスーパーコンピューターです。信じられないことに、PICモデルは各粒子の動きを追跡します。各粒子は、数兆個の電子とその反物質の対応物である陽電子をまとめて表します。

新しいコンピューターシミュレーションは、科学者がこれまで考えたことのない粒子の動きを示しました。たとえば、研究者たちは、ほとんどの電子がパルサーの磁極から外側に移動するのを観察しました。一方、陽電子は低高度で飛び出し、「現在のシート」と呼ばれる薄い構造を形成しました。

NASAのプレスリリースは、この研究で行われた他の観察のいくつかを説明しています。

これが少し不可解に聞こえる場合は、NASAゴダードによって作成されたビジュアルシミュレーション(上のビデオに表示)を視聴することを強くお勧めします。これは、これらのプロセスをかなりうまく説明しています。

物理学者がパルサーにとても興奮している理由を理解するのは簡単ですが、宇宙生物学者やSETIの科学者もパルサーが価値があると感じるかもしれません。昨年発表された研究 は、高度なエイリアンが通常の星よりもパルサーの周りにエネルギーを集める巨大構造を構築する可能性が高いことを提案しました。その理由は、パルサーは、ほとんどの星がそうしないように、すべての方向にそれらを散乱させるのではなく、離散ビームにエネルギーを集中させるからです。

とにかく、Brambillaは彼女の同僚が、パルサーの 強力な磁気圏と、パルサーが互いにどのように異なるかをより深く理解するために、パルサーのさらなるシミュレーションを実施することを望んでいます。

[アストロフィジカルジャーナル]

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