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L'UNIVERSO INVISIBILE

Astronomia gamma

Approfondimento sulle Pulsar

Come emette una stella di neutroni Osservazioni di stelle di neutroni nei raggi gamma Come si forma una PULSAR Dipoli rotanti Pulsazioni nel cielo Stelle di neutroni in sistemi binari con compagna normale Stelle di neutroni in sistemi binari con stelle di neutroni

 

Le Pulsar come dipoli magnetici rotanti

Come funziona una stella di neutroni e quali processi fisici avvengono su di essa?

L’energia emessa da un dipolo magnetico rotante è:

dove

 

ed a è l’angolo di inclinazione tra l’asse di rotazione della stella di neutroni ed il momento magnetico m. Possiamo quindi ricavare delle formule che legano il periodo, la variazione del periodo e il campo magnetico, infatti abbiamo

da cui si può calcolare il quadrato del momento magnetico della stella di neutroni

nell’ipotesi più plausibile di un momento di inerzia della stella di neutroni pari a 1045 g cm2 e un’inclinazione di 45° tra asse di rotazione e asse magnetico si ottiene la seguente formula per calcolare il campo magnetico dell’astro:

 

Quali meccanismi producono l’emissione di fotoni di alta energia da parte delle stelle di neutroni?

Le cariche elettriche presenti al suo interno sperimentano una notevole forza di Lorentz causata dalla rotazione del campo magnetico interno attorno all’asse della stella:

Le poche cariche elettriche presenti al suo interno assumono nel tempo più breve possibile una distribuzione in grado di bilanciare, con una forza elettrica, le forze di Lorentz indotte con la rotazione; ciò contribuisce all’assenza di correnti elettriche permanenti all’interno della stella di neutroni. Il campo elettrico esterno può essere calcolato con le equazioni di Laplace impostando le condizioni al contorno e la distribuzione interna di carica elettrica. In generale la componente radiale del campo elettrico presenta una discontinuità sulla superficie stellare. Assumendo che il momento magnetico della stella sia orientato nella stessa direzione dello spin rotazionale è possibile dimostrare che il potenziale elettrico esterno assume una forma quadrupolare presentando massimi nei pressi dei poli magnetici e dell’equatore magnetico e dei minimi alle medie latitudini:

A questo potenziale elettrico corrisponde un campo elettrico di quadrupolo:

Questo campo elettrico non si annulla sulla superficie stellare, anzi ha la notevole capacità di strappare le cariche elettriche che giacciono in questa regione, vincendo l’enorme forza di gravità dell’astro collassato, e rifornendo la magnetosfera stellare. Le particelle nella magnetosfera cercano di raggiungere la distribuzione di equilibrio mentre la rapida rotazione del campo magnetico ne impedisce il raggiungimento, creando in essa correnti elettriche indotte e permanenti. Alla distanza

tutto ciò che coruota con la stella (campo magnetico, particelle intrappolate) dovrebbe avere una velocità uguale a quella della luce nel vuoto. Il cilindro di luce è quindi il cilindro coassiale all’asse di rotazione della stella di neutroni di raggio rc entro il quale il campo magnetico appare come un dipolo in rapida rotazione. Le linee di campo, che tenderebbero normalmente a richiudersi. si devono aprire verso l’esterno rilasciando le particelle cariche imprigionate nella magnetosfera, creando una sorta di vento stellare di particelle relativistiche. Nella parte interna della magnetosfera questo flusso di particelle cariche produce un decifit di carica elettrica nei pressi dei poli magnetici, in questa regione la forza di Lorentz non viene più bilanciata dal campo elettrico dovuto allo sbilancio di cariche e può accelerare particelle cariche sulla superficie della stella di neutroni ad elevate energie. Un altro effetto accelerante è dovuto ai fenomeni relativistici nei pressi della superficie della stella di neutroni: il trascinamento del sistema di riferimento conduce ad un campo elettrico parallelo al campo magnetico nei pressi delle regioni polari. La principale conseguenza di questa situazione è l’accelerazione di particelle cariche presenti nella magnetosfera stellare, attraverso le linee magnetiche aperte oltre il cilindro di luce o attraverso le linee di campo nei pressi dei poli magnetici. Queste particelle cariche, sotto l’influenza della curvatura del campo magnetico e della radiazione circostante, possono emettere fotoni di elevata energia mediante radiazione di curvatura o attraverso il processo Compton inverso. Dalla descrizione appena fatta una stella di neutroni presenta due possibili vie di fuga per particelle cariche di alta energia, la prima è dunque fornita dalle linee di campo che si aprono sopra le calotte polare ad una distanza pari a rc mentre la seconda è fornita dallo svuotamento di cariche nei pressi dei poli magnetici della stella.

Lungo questi corridoi naturali il plasma viene accelerato fino ad energie relativistiche con fattore di Lorentz pari a 107, queste particelle possono interagire ed emettere fotoni gamma per emissione di radiazione di curvatura o tramite effetto Compton inverso, grazie al quale sono i fotoni termici provenienti dalla superficie della stella di neutroni a ricevere l’energia dalla particelle del plasma convertendosi da fotoni UV e X in fotoni gamma. I fotoni prodotti sia dalla radiazione di curvatura, sia dall’effetto Compton inverso spesso superano la soglia di produzione di una coppia in presenza di campi elettromagnetici, questo favorisce la produzione di particelle e antiparticelle che vanno a rifornire il plasma circostante e produrre una nuova cascata di particelle accelerate in grado di produrre fotoni di alta energia.

Quali conseguenze osservative presenta questo modello?

La radiazione emessa proviene da una distanza di pochi raggi stellari distribuendosi in una regione conica. L’efficienza dell’emissione a cascata non è uniforme su tutto il cono ma raggiunge un massimo presso i confini della regione conica di emissione, dove la deformazione delle linee del campo è massima. Per ogni rotazione della stella un osservatore esterno rileverebbe 1 o 2 picchi di emissione. La forma della curva di luce dipende dall’inclinazione dell’asse magnetico rispetto all’asse di rotazione e dalla posizione della nostra linea di vista.

 

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