Учёные, возможно, раскрыли секрет «всё ещё бьющихся сердец самых экстремальных звёзд во Вселенной». Команда полагает, что лавина квантовых торнадо вызывает этот «сбой» во вращении  нейтронных звёзд, называемых пульсарами, создавая запутанные и сложные траектории.

«Прошло более полувека с момента открытия нейтронных звёзд, но они до сих пор не до конца изучены», — сказал член исследовательской группы и профессор Хиросимского университета Мунето Нитта. 

Группа исследователей рассмотрела 533 наблюдения пульсаров, чтобы разгадать тайну этих сбоев. Они предлагают считать сбои результатом «квантовой вихревой сети», которая согласуется с расчётами степенного закона, тем самым разработав модель, которая не нуждается в «дополнительной настройке», в отличие от предыдущих моделей «сбоев нейтронных звёзд».

Нейтронные звёзды рождаются, когда умирают массивные звёзды, исчерпывая топливо для ядерного синтеза и разрушаясь под действием собственной гравитации. Их внешние слои сдуваются в результате мощных взрывов сверхновых. Это заставляет ядро звезды с массой от одного до двух масс Солнца, сжимающееся до диаметра около 20 километров.

В результате этого коллапса электроны и протоны сталкиваются, образуя настолько большое и плотное количество нейтронов, что если их столовая ложка на Земле весила бы более 1 миллиарда тонн, что превышает вес горы Эверест.

Разрушение звёздных ядер также отвечает за быстрое вращение молодых нейтронных звёзд, некоторые из которых достигают скорости до 700 оборотов в секунду. Это происходит из-за сохранения углового момента.

Иллюстрация нейтронной звезды, в которой происходят «сбои». Источник: Carl Knox / OzGrav / Robert Lea

Недавно «умершие» нейтронные звёзды или пульсары кажутся пульсирующими, потому что, быстро вращаясь, они испускают лучи излучения со своих полюсов. Пульсары периодически становятся ярче, когда их лучи направлены прямо на Землю, что как бы заставляет их пульсировать (отсюда и название). Эту пульсацию можно сравнить с «сердцебиением», которое настолько точное, что эти молодые нейтронные звёзды можно использовать в качестве «космических секундомеров» в так называемых массивах пульсарного времени для измерения времени событий во Вселенной.

Однако некоторые нейтронные звёзды, похоже, время от времени «сбоят», на короткое время ускоряя своё вращение, тем самым нарушая регулярность своего сердцебиения. Причина этих «сбоев» окутана тайной.

Сбои пульсара, по-видимому, следуют похожему шаблону или «степенному закону», как и землетрясения на Земле. Так же, как землетрясения малой магнитуды встречаются чаще, чем землетрясения большой магнитуды, сбои малой энергии случаются у пульсаров чаще, чем сбои высокой энергии и экстремальные сбои.

Существует два основных механизма, связанных со «сбоями» нейтронных звёзд: «звездотрясения» и  квантовые вихревые «лавины», которые образуются подобно микроскопическим ураганам в сверхтекучем супе, составляющем недра нейтронной звезды.

Квантовые вихри, как правило, более широко принимаются в качестве объяснения, чем «звездотрясения», потому что, хотя последние следуют степенному закону, как землетрясения, они с трудом объясняют все типы «сбоев» нейтронных звёзд. Тем не менее, несмотря на более широкое признание, нет реального объяснения того, что может вызвать лавину сверхтекучих вихрей, которые могут достичь поверхности нейтронной звезды и заставить её увеличить скорость вращения.

«В стандартном сценарии считается, что лавина вихрей могла бы объяснить происхождение сбоев. Если бы не было закрепления, это означало бы, что сверхтекучая жидкость выпускает вихри один за другим, позволяя плавно регулировать скорость вращения. Не было бы ни лавин, ни "сбоев"», — поясняет Нитта.

Нитта добавил, что модель команды не нуждается в дополнительном механизме закрепления. Эта модель должна только учитывать структуру, состоящую из двух типов волн, струящихся через сверхтекучую внутреннюю часть нейтронной звезды: «волна P», которая является быстро движущейся продольной волной, и «волна S», которая является более медленно движущейся поперечной волной.

«В этой структуре все вихри соединены друг с другом в каждом кластере, поэтому они не могут высвобождаться по одному. Вместо этого нейтронная звезда должна высвобождать большое количество вихрей одновременно. Это ключевой момент нашей модели», — продолжил Нитта. Модель команды предполагает, что сверхтекучее ядро ??нейтронной звезды вращается с постоянной скоростью, но несверхтекучий «обычный» компонент его тормозит. Результатом является замедление скорости вращения нейтронной звезды за счёт испускания электромагнитных импульсов и крошечных гравитационных волн.

Со временем разница в скоростях увеличивается, в результате чего недра нейтронной звезды выбрасывают сверхтекучие вихри, переносящие угловой момент, ускоряющие обычную составляющую и вызывающие увеличение скорости вращения, которое и наблюдают как «сбои» пульсара.

Модель квантовой вихревой сети, показывающая, что внутреннее ядро p-волны (оранжевым) окружает внешнее ядро s-волны (серым). Вверху справа изображена 3D-конфигурация квантовой вихревой сети. Внизу справа сеть, как она выглядит сверху. Источник: Muneto Nitta, Shigehiro Yasui

Команда предполагает, что сверхтекучесть в нейтронных звёздах делится на два типа, которые объясняют, как рождаются эти вихри. S-волновые сверхтекучие жидкости, которые доминируют во внешнем ядре нейтронной звезды, обеспечивают относительно спокойную среду, которая поддерживает образование вихрей, имеющих целое число или «целые»  спины. Однако во внутреннем ядре нейтронной звезды преобладает p-волновая сверхтекучесть, создавая экстремальные условия, которые благоприятствуют вихрям с полуцелыми спинами.

Это означает, что целочисленный спиновый вихрь разделится на два полуцелочисленных вихря при входе во внутреннее ядро, где доминируют p-волны. Это создаст сверхтекучую структуру, называемую «буджум» boojum. По мере того, как создается больше полувихрей и соединяется через эти структуры, динамика вихревых кластеров становится все более сложной, создавая всё более замысловатые и извилистые узоры.

Группа провела моделирование, которое показало, что их модель очень близка к воспроизведению энергий « сбоев»   реальных нейтронных звёзд.

« Наш аргумент, хотя и простой, очень мощный. Несмотря на то, что мы не можем напрямую наблюдать p-волновую сверхтекучую жидкость внутри, логическим следствием её  существования является степенное поведение размеров кластеров, полученных из моделирования. Перевод этого в соответствующее степенное распределение для энергий сбоев показал, что оно соответствует наблюдениям  », — сказал член команды и доцент Университета Нисёгакуся Шигехиро Ясуи.

«Нейтронная звезда — это очень специфический объект, поскольку три области астрофизики, ядерная физика и физика конденсированного состояния встречаются в одной точке. Очень сложно наблюдать их поведения и процессы н апрямую, поэтому нам нужно установить глубокую связь между внутренней структурой и некоторыми данными наблюдений нейтронной звезды », — заключил Ясуи.

Подробнее на iXBT