Corso di elettrodinamica classica LE PULSAR Porta Amanda Sommario: • Scoperta delle Pulsar • Interpretazioni fisiche • Meccasismi di emissione di radiazione • Energetica dell’emissione • Conclusioni Scoperta delle Pulsar Scoperte da Hewish, Bell 1968: Impulsi radio, intensi, con periodo 1.377 s e larghezza 0.02 s. Predette da Pacini nel 1967 ed interpretate da Gold, Pacini, Goldreich nel 1968-69 Predizione delle Pulsar 1967, Pacini Collasso gravitazionale Stella di neutroni τdecay=4psR2/c2 BR2=cost, Iw=cost Esplosione Supernova Interpretazione delle Pulsar 1. Pulsazioni dovute a un satellite o frammenti di materia che girano intorno a una stella con un intenso campo magnetico (Burbidge & Strittmatter). 2. Pulsazioni dovute alla rapida rotazione di una stella di neutroni con asse del momento magnetico inclinato rispetto all’asse di rotazione (Gold, Pacini, Goldreich). 1) Satellite: massa limite Massa limite del satellite affinche’ non si abbiano cambiamenti significativi nel periodo orbitale dovuti a radiazione gravitazionale: m < 3 × 10-4 M⊙ per T~1s Considerando il limite meno restrittivo in cui la stella centrale ha massa M<3 × 104 M⊙. 1) Satellite: struttura interna •Forze gravitazionali: r > (1.4 108 g cm-3) (1s/T)2 Densita’ troppo grande per i limiti di massa trovati. •Forze di stato solido: -1/2 1/2 T r S r=7.8 m 2 g cm-3 108 dyne cm-2 1s ( )( ) con S forza di tensione, r~10 m. Un solo satellite ha raggio troppo piccolo per produrre un perturbazione sufficiente nella magnetosfera della stella. 1) Gruppo di satelliti Devono essere tutti alla stessa distanza dalla stella e molto vicino tra loro. Le forze di stato solido richiedono una temperatura inferiore a 103 K, il che vuol dire che la stella centrale deve avere una luminosita’ inferiore a 10-8 L⊙, per M2M⊙ e T=1s. Per mantenere questa luminosita’ il tasso di materiale che cade sulla stella deve essere inferiore a 1013 g/anno. 2) Modello ad oscillatore obliquo 2) Interpretazione per m // w • Conducibilita’ s molto elevata • E+ 1 (w r) B = 0 c • re = 1 4p ·E = 1 w·B 2pc • Elettroni vicino ai poli (w B>0), protoni verso l’equatore • ne = 7 10-2 BzP-1 particelle/cm3 2) Interpretazione per m // w • |E| |wRB/c| 2 108 B volt P 1012 cm • Magnetosfera in coorotazione entro RLC=c/w • Apertura del cono delle linee di forza che escono dal Light Cylinder: sen2 = R/RLC = Rw/c • Fuori dal Light Cylinder: linee di forza diventano radiali e per le particelle b 1. 2) Interpretazione per m // w • Fuori al Light Cylinder: Oltre a un campo mangnetico poloidale c’e’ un campo magnetico toroidale che rallenta la rotazione della stella. • Per r D raggio esplosione SN: linee di forza non sono piu’ equipotenziali e si chiudono. Accellerazione delle particelle. Meccanismi di emissione Siccome B e’ curvilineo le particelle emettono radiazione di curvatura (g~107). I fotoni di curvatura interagiscono col campo magnetico producendo un fascio secondario di e+-e-, che a loro volta producono fotoni di curvatura e sincrotrone con g1023 e l~10300 cm (radio). La radiazione emessa e’ coerente ed e’ concentrata in un cono di larghezza ~1/g orientato lungo le linee di forza aperte. Radiazione da carica accellerata Potenza irraggiata da carica accellerata NR: W= q2 6pe0c3 ·2 |v| Formula di Larmor Potenza irraggiata da carica accellerata R: q2 W= 6pe0c ·2 6 g [b ·2 - (bb) ] Formula di Lienard Radiazione da carica accellerata (R) Moto rettilineo v//a: Wr = q2 · 2 6 g (b) = q2 · 2= g6 (v) 6pe0c3 6pe0c q2 2 dp () 6pe0c3m2 dt Moto circolare va: q2 Wc = 6pe0c · 2 4 g (b) = q2 6pe0 c3 · 2= g4 (v) q2 6pe0 () c 3m 2 dp dt 2 g2 Distribuzione angolare Moto rettilineo: prendendo l’asse polare lungo v si ha: dP(tr) dW = q2 16p2e0c3 ·2 |v| sen2θ (1-bcosθ)5 L’angolo quadratico medio di emissione della radiazione e’: <θ2>1/2=1/g Distribuzione angolare Moto circolare: prendendo l’asse x lungo a e l’asse z lungo v si ha: ·2 2 2 dP(tr) q c |b| sen2θ cos2 = 1dW 16p2e0c3 (1-bcosθ)3 g2(1-bcos)2 [ L’angolo quadratico medio di emissione della radiazione e’: <θ2>1/2=1/g ] Energetica dell’emissione Potenza emessa: P= 2 1 d2m 3 () c3 dt2 2 = 2 1 w4 (msena) 3 c3 Energia cinetica di rotazione persa: dK · = -I w w dt Con m BR3 e I momento di inerzia della stella Energetica dell’emissione Ne consegue che: 2 (m sena) w=w3 3 c3 I 2 1 Siccome w=2p/P, con P periodo di rotazione: PP = 8p2 (m sena)2 3c3 I Quindi w wn, con n indice di frenamento. · Sperimentalmente n = w w / w2 Grandezze fisiche derivate • Eta’ delle pulsar: P t= · 2P • Campo magnetico superficiale: 3c3 I ( B= 8p2 R6 ) · PP ½ Diagramma B-P Conclusioni: Le pulsar: • Sono stelle di neutroni in rapida rotazione con un’elevato campo magnetico e asse di rotazione disallineato rispetto all’asse del momento magnetico. • Emettono un segnale radio da due coni che hanno origine nei poli magnetici della stella: l’effetto di pulsarzione della stella e’ dovuto all’ ”effetto torcia”. • L’energia di radiazione viene compensata dalla perdita di energia di rotazione.