Исследование раскрывает запутанное происхождение загадочного «сердцебиения» мертвых звезд

Модель квантовой вихревой сети, предложенная авторами исследования. Внутреннее ядро p-волны (розовое) окружает внешнее ядро s-волны (серое). Автор: Muneto Nitta and Shigehiro Yasui

Код мигания звезд в «Проблеме трех тел» Netflix может быть научной фантастикой, но, расшифровав беспорядочное мерцание нейтронных звезд, новое исследование выявило извращенное происхождение загадочного «сердцебиения» этих мертвых 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» происходят от лучей излучения звездных тел, 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 из-за импульсов, необъяснимым образом приходящих раньше, сигнализируя о сбое или внезапном ускорении вращения нейтронных звезд. Хотя их точные причины остаются неясными, было замечено, что энергия сбоев подчиняется степенному закону (также известному как закон масштабирования) — математической зависимости, отраженной во многих сложных системах, от неравенства богатства до закономерностей частоты и магнитуды при землетрясениях. Подобно тому, как небольшие землетрясения происходят чаще, чем более крупные, в нейтронных звездах низкоэнергетические сбои встречаются чаще, чем высокоэнергетические.

Повторно проанализировав 533 современных набора данных наблюдений за быстро вращающимися нейтронными звездами, называемыми пульсарами, группа физиков обнаружила, что предложенная ими сеть квантовых вихрей естественным образом согласуется с расчетами степенного закона поведения энергий сбоев без необходимости дополнительной настройки. в отличие от прошлых моделей. Их выводы опубликованы в журнале Scientific Reports.

"Прошло более полувека с момента открытия нейтронных звезд, но механизм возникновения сбоев до сих пор не понятен. Поэтому мы предложили модель, объясняющую это явление", - сказал автор-корреспондент исследования Мунето Нитта, специально назначенный профессор и соглавный исследователь Международного института устойчивого развития с узловатой хиральной метаматерией (WPI-SKCM ²) при Университете Хиросимы.

Сверхтекучие вихри получили новый поворот

Трехмерная конфигурация квантовой вихревой сети. Автор: Muneto Nitta and Shigehiro Yasui

Предыдущие исследования предложили две основные теории для объяснения этих сбоев: звездотрясения и сверхтекучие вихревые лавины. Хотя звездные землетрясения, которые ведут себя как землетрясения, могут объяснить наблюдаемую степенную закономерность, они не могут объяснить все типы сбоев. Сверхтекучие вихри являются широко используемым объяснением.

«В стандартном сценарии исследователи считают, что лавина незакрепленных вихрей может объяснить происхождение сбоев», — сказал Нитта.

Однако не существует единого мнения относительно того, что может спровоцировать катастрофический сход вихрей.

«Если бы не было закрепления, это означало бы, что сверхтекучая жидкость выпускает вихри один за другим, обеспечивая плавную регулировку скорости вращения. Не было бы никаких лавин и сбоев», — сказал Нитта.

«Но в нашем случае нам не нужен был какой-либо механизм пиннинга или дополнительные параметры. Нам нужно было только рассмотреть структуру p-волн и s-волновых сверхтекучестей. В этой структуре все вихри связаны друг с другом в каждом кластере, поэтому они не могут выпускаться один за другим. Вместо этого нейтронная звезда должна испускать большое количество вихрей одновременно. Это ключевой момент нашей модели».

В то время как сверхтекучее ядро нейтронной звезды вращается с постоянной скоростью, его обычный компонент снижает скорость вращения, испуская гравитационные волны и электромагнитные импульсы. Со временем разница в их скоростях увеличивается, и звезда выбрасывает сверхтекучие вихри, несущие часть углового момента, чтобы восстановить равновесие. Однако, поскольку сверхтекучие вихри запутываются, они увлекают за собой других, что и объясняет глюки.

Вид сверху на квантовую вихревую сеть. Автор: Muneto Nitta and Shigehiro Yasui

Чтобы объяснить, как вихри формируют скрученные скопления, исследователи предположили существование двух типов сверхтекучести в нейтронных звездах. Сверхтекучесть S-волн, которая доминирует в относительно более спокойной среде внешнего ядра, способствует образованию вихрей целочисленного квантования (IQV). Напротив, сверхтекучесть p-волн, 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, известную как буджум. По мере того, как все больше HQV отделяются от IQV и соединяются через буджумы, динамика вихревых скоплений становится все более сложной, подобно тому, как ветви кактусов прорастают и переплетаются с соседними ветвями, создавая замысловатые узоры.

Исследователи провели моделирование и обнаружили, что показатель степени степенного поведения энергий сбоев в их модели (0,8 ± 0,2) близко соответствует наблюдаемым данным (0,88 ± 0,03). Это указывает на то, что предложенная ими система точно отражает реальные сбои нейтронных звезд.

«Наш аргумент, хотя и прост, но очень силен. Несмотря на то, что мы не можем напрямую наблюдать сверхтекучую жидкость с p-волной внутри, логическим следствием ее существования является степенное поведение размеров кластеров, полученных в результате моделирования. Переводя это в соответствующую степень Распределение энергий сбоев по закону показало, что оно соответствует наблюдениям», — сказал соавтор Сигэхиро Ясуи, постдокторант WPI-SKCM ² и доцент Университета Нишогакуся.

«Нейтронная звезда представляет собой очень специфическую ситуацию, поскольку три области астрофизики, ядерной физики и физики конденсированного состояния встречаются в одной точке. Ее очень сложно наблюдать непосредственно, поскольку нейтронные звезды существуют далеко от нас, поэтому нам нужно создать глубокая связь между внутренней структурой и некоторыми данными наблюдений нейтронной звезды».

Ясуи и Нитта также связаны с факультетом физики Университета Кейо и научно-исследовательским и образовательным центром естественных наук. Еще одним соавтором исследования является Джакомо Марморини с факультета физики Университета Нихон и Университета Аояма Гакуин.

Больше информации: Giacomo Marmorini et al, Pulsar glitches from quantum vortex networks, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-56383-w

Источник: Hiroshima University