Dynamics of magnetospheres of rotating compact objects with General Relativity

Objetos compactos em rotação são conhecidos por alimentar os fenómenos astrofísicos extremos mais energéticos do universo. A sua rotação induz um campo elétrico exterior capaz de acelerar partículas eficientemente, povoando a magnetosfera com e± plasma através de processos de eletrodinâmica quântica (QED) e dando origem à radiação coerente e incoerente observada.

Apenas é possível compreender estes fenómenos de primeiros princípios usando simulações cinéticas particle-in-cell (PIC) da magnetosfera global, capturando o fecho da corrente magnetosférica, processos QED, e relatividade geral (GR). Nesta Tese, generalizámos o código PIC avançado OSIRIS para coordenadas ortogonais curvilíneas arbitrárias, apropriadas a modelar a dinâmica dos plasmas em magnetosferas de objetos compactos, i.e. com curvatura do espaço-tempo significativa. A implementação detalhada nesta Tese estende a aplicabilidade desta ferramenta para lá de cenários astrofísicos. Em particular, para configurações laboratoriais em geometrias mais complicadas.

Corremos simulações massivamente paralelas de magnetosferas de pulsares, executando experiências numéricas para compreender o papel da relatividade geral e fornecimento de plasma na fase de geração do feixe de rádio para rotadores de baixa obliquidade. Os resultados mostram que a GR é fundamental para o aparecimento do feixe radio em primeiro lugar para rotadores alinhados.

Para estrelas mais velhas, pode até distinguir uma pulsar de uma estrela de neutrões. Nesta tese, explorámos ainda o efeito da GR quando a lacuna polar está em regime não-estacionária, caracterizada por ter uma lacuna (quase) em vácuo na base do conjunto de linhas de campo magnético abertas. Nestas condições, a descarga polar ocorre através de uma sucessão de filamentos de plasma isolados que não acompanham a rotação estelar, usualmente usados para explicar componentes derivantes do feixe.

Os resultados demonstram o aparecimento de um novo filamento de plasma, dando uma explicação natural para a configuração de emissão núcleo mais bi-cone que concorda com as observações.