|
Загадочное происхождение сердцебиений мертвых звезд
|
|
|
|
Код мерцания звезд в фильме Netflix "Задача трех тел" может показаться научной фантастикой, но, расшифровав беспорядочное мерцание нейтронных звезд, новое исследование выявило загадочное происхождение "сердцебиения" этих мертвых звезд. Когда нейтронные звезды — сверхплотные остатки массивных звезд, взорвавшихся в виде сверхновых, - были впервые обнаружены в 1967 году, астрономы подумали, что их странные периодические импульсы могут быть сигналами от инопланетной цивилизации. Хотя теперь мы знаем, что эти "сердцебиения" происходят от лучей излучения звездных тел, а не внеземной жизни, их точность делает их отличными космическими часами для изучения астрофизических явлений, таких как скорости вращения и внутренняя динамика небесных тел. Однако иногда точность их часового механизма нарушается из-за импульсов, необъяснимо поступающих раньше, что сигнализирует 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 в благосостоянии до зависимости частоты и магнитуды землетрясений.
|
|
|
|
Точно так же, как небольшие землетрясения происходят чаще, чем более крупные, низкоэнергетические сбои в нейтронных звездах встречаются чаще, чем высокоэнергетические. Повторно проанализировав 533 новейших набора данных, полученных в результате наблюдений за быстро вращающимися нейтронными звездами, называемыми пульсарами, команда физиков обнаружила, что предложенная ими квантовая вихревая сеть естественным образом согласуется с расчетами степенного закона поведения энергий сбоев, не требуя дополнительной настройки, в отличие от предыдущих моделей. Их результаты опубликованы в журнале Scientific Reports. "С момента открытия нейтронных звезд прошло более полувека, но механизм, по которому происходят сбои, до сих пор не понят. Поэтому мы предложили модель, объясняющую это явление", - сказал автор исследования Мунето Нитта, специально назначенный профессор и один из главных исследователей Международного института устойчивого развития с узловатой хиральной метаматерией (WPI-SKCM2) при Университете Хиросимы.
|
 |
|
В предыдущих исследованиях были предложены две основные теории, объясняющие эти сбои: звездотрясения и сверхтекучие вихревые лавины. Хотя звездотрясения, которые ведут себя как землетрясения, могут объяснить наблюдаемую степенную закономерность, они не могут объяснить все типы сбоев. Широко распространенное объяснение - сверхтекучие вихри. "В стандартном сценарии исследователи считают, что возникновение сбоев может быть объяснено лавиной незакрепленных вихрей", - сказал Нитта. Однако до сих пор не было единого мнения о том, что может привести к катастрофическому сходу вихрей. "Если бы не было закрепления, это означало бы, что сверхтекучая жидкость высвобождает вихри один за другим, что позволяет плавно регулировать скорость вращения. Не было бы ни лавин, ни сбоев", - сказал Нитта. "Но в нашем случае нам не понадобился какой-либо механизм закрепления или дополнительные параметры. Нам нужно было только рассмотреть структуру сверхтекучих сред с p- и s-волнами. В этой структуре все вихри в каждом скоплении связаны друг с другом, поэтому они не могут высвобождаться по одному. Вместо этого нейтронная звезда должна высвобождать большое количество вихрей одновременно. Это ключевой момент нашей модели."
|
|
|
|
В то время как сверхтекучее ядро нейтронной звезды вращается с постоянной скоростью, ее обычный компонент снижает скорость вращения, испуская гравитационные волны и электромагнитные импульсы. Со временем разница в их скоростях возрастает, и звезда выбрасывает сверхтекучие вихри, которые несут часть углового момента, чтобы восстановить равновесие. Однако, когда сверхтекучие вихри запутываются, они увлекают за собой другие, что объясняет сбои. Чтобы объяснить, как вихри образуют скрученные скопления, исследователи предположили существование двух типов сверхтекучести в нейтронных звездах. Сверхтекучесть в форме S-волны, которая преобладает в относительно спокойной среде внешнего ядра, способствует образованию вихрей с целочисленным квантованием (IQV). Напротив, сверхтекучесть p-волны, преобладающая в экстремальных условиях внутреннего ядра, благоприятствует полуквантованным вихрям (HQV). В результате каждый IQV во внешнем ядре s-образной волны распадается на два HQV при входе во внутреннее ядро p-образной волны, образуя сверхтекучую структуру, похожую на кактус, известную как буджум.
|
|
|
|
По мере того как все больше HQV отделяются от IQV и соединяются через boojums, 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 степенного поведения энергий сбоев в их модели (0,8±0,2) полностью соответствует наблюдаемым данным (0,88±0,03). Это указывает на то, что предложенная ими схема точно отражает реальные сбои в работе нейтронных звезд. "Наш аргумент, несмотря на его простоту, очень убедителен. Хотя мы не можем непосредственно наблюдать сверхтекучесть внутри p-волны, логическим следствием ее существования является степенное поведение размеров кластеров, полученное в результате моделирования. Перевод этого в соответствующее степенное распределение для энергий сбоев показал, что оно соответствует наблюдениям", - сказал соавтор Шигехиро Ясуи, научный сотрудник WPI-SKCM2 и доцент Университета Нишогакуша. "Нейтронная звезда - это очень специфическая ситуация, потому что три области астрофизики, ядерная физика и физика конденсированных сред встречаются в одной точке. Это очень трудно наблюдать непосредственно, потому что нейтронные звезды находятся далеко от нас, поэтому нам нужно установить глубокую связь между внутренней структурой и некоторыми данными наблюдений за нейтронной звездой".
|
|
|
|
Источник
|
