Самые экстремальные звезды нашей Вселенной иногда «глючат» — теперь мы можем знать, почему

Ученые наконец-то могут понять динамику «глюков» нейтронных звезд, которые возникают, когда эти сверхплотные мертвые звезды внезапно ускоряют свое вращение. Оказывается, странное поведение может быть вызвано тем, что крошечные вихри вращающегося внутреннего материала «пробивают поверхность» этих напряженных звездных трупов.

Новый прорыв в понимании поведения нейтронных звезд, что интересно, произошел благодаря объединенной команде астрофизиков и квантовых физиков, которые обычно изучают взаимодействия, управляющие субатомным миром, и исследуют экзотическую форму материи здесь, на Земле.

Лучшее понимание глюков нейтронных звезд может раскрыть больше информации об их внутреннем составе и движении, тем самым дав ученым возможность заглянуть в объект, состоящий, возможно, из самой уникальной и странной формы материи во Вселенной. Нейтронные звезды, по сути, состоят почти исключительно из нейтронов, поэтому они такие невероятно плотные.

«Наше исследование устанавливает тесную связь между квантовой механикой и астрофизикой и позволяет по-новому взглянуть на внутреннюю природу нейтронных звезд», — говорится в заявлении ведущего автора исследования, научного сотрудника Инсбрукского университета Елены Поли.

Приближение нейтронных звезд к Земле

Нейтронные звезды образуются, когда массивные звезды «умирают», а их звездные ядра, масса которых в один-два раза превышает массу Солнца, разрушаются до ширины всего 12 миль (20 километров). Это совершенно гигантское уменьшение размеров. Богатая нейтронами материя, из которой состоят нейтронные звезды, настолько плотная, что ее кубик сахара весил бы на Земле около 1 миллиарда тонн — примерно в 150 раз больше веса Великой пирамиды Гизы.

Такой огромный вес, а также огромное расстояние до этих звездных трупов означают, что мы вряд ли сможем доставить образцы нейтронных звезд на Землю для изучения. Однако междисциплинарная команда смогла действительно перенести изучение нейтронных звезд «на Землю», численно смоделировав нейтронную звезду с помощью прокси в виде ультрахолодных дипольных атомов — экзотической фазы магнитных газов с отрицательно заряженным атомом, соединенным с положительно заряженным атомом на больших расстояниях, этапы реабилитации.

Глюки нейтронных звезд могут свидетельствовать о том, что вещество под поверхностью этих объектов существует в виде сверхтекучей жидкости — вещества, похожего на жидкость, но обладающего нулевой вязкостью — мерой сопротивления, которое жидкость оказывает изменению формы или обтеканию.

Жидкости с высокой вязкостью, такие как мед или холодный кленовый сироп, текут медленно и даже могут вести себя как твердые тела. Вспомните застывшее арахисовое масло или даже стекло. Жидкости с низкой вязкостью, напротив, текут быстрее. Но сверхтекучие жидкости с нулевой вязкостью — это совсем другая история. Они вращаются в виде множества крошечных вихрей, каждый из которых несет в себе небольшую часть углового момента системы.

Ключевым фактором такого поведения и, следовательно, жизненно важным элементом глюков нейтронных звезд будет состояние, проявляющее одновременно кристаллические и сверхтекучие свойства — так называемый «суперсолид». Если нейтронные звезды демонстрируют такое поведение, вращаясь с частотой до сотен раз в секунду, то глюки будут происходить по мере того, как вихри будут вырываться из внутренней коры звезды — сверхтекучей — в ее твердую кристаллическую внешнюю кору. Эти вылетающие вихри несут с собой угловой момент, который увеличивает скорость вращения внешнего слоя звезды.

Эта сверхтвердая фаза была индуцирована в ультрахолодных диполярных атомах эрбия (Er) и диспрозия (Dy) группой под руководством Франчески Ферлайно из Университета Инсбрука, которая также является автором данной работы.

Команда обнаружила, что глюки действительно могут происходить в ультрахолодных суперсолидах, что аналогично более крупным и экстремальным глюкам, демонстрируемым нейтронными звездами. Эти результаты позволяют предположить, что именно сверхтекучие вихри, переносящие угловой момент на поверхность этих звезд, вызывают у них глюки.

Подход, разработанный междисциплинарной командой, теперь будет изучен более детально, чтобы выяснить механизм глюка, а также то, как он может зависеть от качества сверхтвердого материала. Исследование также может помочь открыть новый способ изучения звездных остатков, таких как нейтронные звезды, в лабораторных условиях для других целей.

«Это исследование демонстрирует новый подход к изучению поведения нейтронных звезд и открывает новые возможности для квантового моделирования звездных объектов из низкоэнергетических земных лабораторий», — заключил Ферлайно.