Модель квантовой вихревой сети, предложенная авторами исследования. Внутреннее ядро P-волны (розовое) окружает внешнее ядро S-волны (серое). Фото: Мунето Нитта и Сигэхиро Ясуи.
Тот факт, что звезды появляются в виде мигающих кодов в сериале Netflix «Три Солнца», возможно, является научной фантастикой, но новое исследование раскрыло загадочное происхождение загадочного «сердцебиения» этих мертвых звезд, расшифровав нерегулярное мерцание нейтронных звезд. .
Когда в 1967 году были впервые обнаружены нейтронные звезды — сверхплотные остатки массивных звезд, взорвавшихся сверхновыми, астрономы подумали, что их странные периодические импульсы могут быть сигналами инопланетной цивилизации. Хотя теперь мы знаем, что эти «сердцебиения» исходят от лучей дочерей звезд, а не от внеземной жизни, их точность делает их отличными космическими часами для изучения астрофизических явлений, таких как скорость вращения и внутренняя динамика небесных тел.
Однако иногда точность их часового механизма нарушается импульсами, приходящим необъяснимым образом раньше, что указывает на возмущение или внезапное ускорение вращения нейтронных звезд. Хотя их точные причины остаются неясными, было замечено, что энергия разломов подчиняется степенному закону (также называемому законом масштабирования) — математической зависимости, отраженной во многих сложных системах, от неравенства богатства до закономерностей частоты и магнитуды землетрясений. Подобно тому, как меньшие землетрясения происходят чаще, чем более крупные, возмущения низкой энергии более распространены в нейтронных звездах, чем высокоэнергетические.
Повторно проанализировав 533 недавних набора данных наблюдений за быстро вращающимися нейтронными звездами, называемыми пульсарами, группа физиков обнаружила, что, в отличие от предыдущих моделей, предложенная ими сеть квантовых вихрей естественным образом соответствует расчетам степенного поведения энергий сбоев без необходимости дополнительных корректировок. Их результаты были опубликованы в журнале Scientific Reports.
«Прошло более полувека с момента открытия нейтронных звезд, но механизм, приводящий к возмущениям, до сих пор не понятен. Поэтому мы предложили модель, объясняющую это явление», — заявил соавтор исследования Мунето Нитта, специально назначенный профессор и соведущий научный сотрудник Международного института устойчивости с узловатой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2), Университет Хиросимы.
Сверхтекучие вихри приобретают новый поворот
Трехмерная конфигурация квантовой вихревой сети. Фото: Мунето Нитта и Сигэхиро Ясуи.
Предыдущие исследования предложили две основные теории для объяснения этих возмущений: звездотрясения и сверхтекучие вихревые лавины. Хотя звездные землетрясения, которые ведут себя как землетрясения, могут объяснить наблюдаемую степенную картину, они не могут объяснить все типы возмущений. Наиболее часто используемое объяснение — сверхтекучие вихри.
«В стандартном сценарии исследователи предполагают, что причиной возмущений могла быть лавина выпущенных вихрей», — сказал Нитта.
Однако нет единого мнения о том, что может спровоцировать разрушительные вихревые лавины.
«Если бы не было фиксации, сверхтекучая жидкость выпускала бы вихри один за другим, позволяя равномерно регулировать скорость вращения. Не было бы никаких лавин и никаких возмущений», — сказал Нитта.
«Но в нашем случае нам не нужен был механизм фиксации или дополнительные параметры. Нам просто нужно было принять во внимание структуру сверхтекучей p-волны и s-волны. В этой структуре все вихри в каждом кластере связаны друг другу, чтобы они не выпускались индивидуально. «Вместо этого нейтронная звезда должна испускать большое количество вихрей одновременно. Это решающий момент нашей модели».
В то время как сверхтекучее ядро нейтронной звезды вращается с постоянной скоростью, его нормальный компонент замедляет скорость вращения, излучая гравитационные волны и электромагнитные импульсы. Со временем расхождение их скоростей увеличивается, заставляя звезду выбрасывать сверхтекучие вихри, несущие часть углового момента для восстановления равновесия. Однако, когда сверхтекучие вихри запутываются друг с другом, они увлекают за собой других, что и объясняет возмущения.
Вид сверху на квантовую вихревую сеть. Фото: Мунето Нитта и Сигэхиро Ясуи.
Чтобы объяснить, как вихри формируют скрученные скопления, исследователи предположили существование двух типов сверхтекучести в нейтронных звездах. Сверхтекучая S-волна, которая преобладает в относительно более спокойной среде внешнего ядра, способствует образованию целочисленных квантованных вихрей (IQV). Напротив, сверхтекучая P-волна, преобладающая в экстремальных условиях внутреннего ядра, благоприятствует полуквантованным вихрям (HQV).
В результате каждый IQV во внешнем ядре S-волны разделяется на два HQV при входе во внутреннее ядро P-волны, образуя кактусоподобную сверхтекучую структуру, называемую буджум. По мере того, как все больше HQV отделяются от IQV и соединяются через буджумы, динамика вихревых скоплений становится более сложной, подобно кактусам, которые прорастают и переплетаются с соседними ветвями, создавая замысловатые узоры.
Исследователи провели моделирование и обнаружили, что показатель степенного поведения энергий глитчей в их модели (0,8 ± 0,2) близко соответствует наблюдаемым данным (0,88 ± 0,03). Это говорит о том, что предложенная ими система точно отражает сбои в реальных нейтронных звездах.
«Наш аргумент прост, но очень убедителен. Даже если мы не можем напрямую наблюдать сверхтекучую жидкость p-волны внутри, логическим следствием ее существования является степенное поведение размеров кластеров, полученное в результате моделирования. Перевод в соответствующий степенной закон распределения энергии импульсов возмущений показали: «Это согласуется с наблюдениями», — сказал соавтор Сигэхиро Ясуи, постдокторант WPI-SKCM2 и доцент Университета Нисогакуса.
«Нейтронная звезда представляет собой совершенно особую ситуацию, потому что три области астрофизики, ядерной физики и физики твердого тела встречаются в одной точке. Непосредственное наблюдение очень сложно, потому что нейтронные звезды существуют далеко от нас. Поэтому нам нужно найти глубокую связь между внутренней структурой и некоторыми данными наблюдений нейтронной звезды».
Ясуи и Нитта также являются сотрудниками кафедры физики и научно-образовательного центра естественных наук Университета Кейо. Еще одним сотрудником, участвовавшим в исследовании, является Джакомо Марморини с факультета физики Университета Нихон и Университета Аояма Гакуин.
Информация от: Университетом Хиросимы
