Ciencia.-Origen retorcido de las 'arritmias' de las estrellas de neutrones

Un nuevo estudio ha revelado el retorcido origen de las misteriosas ‘arritmias’ que se producen en los pulsos que emiten las estrellas de neutrones.

Cuando estos restos ultradensos de estrellas masivas que explotaban supernovas se descubrieron por primera vez en 1967, los astrónomos pensaron que sus pulsos extraterrestres podrían ser signos de una civilización extraterrestre. Aunque ahora sabemos que estas «cortezas» provienen de rayos de radiación de cadáveres estelares, no de vida extraterrestre, su precisión los convierte en excelentes relojes cósmicos para estudiar fenómenos astrofísicos, como las velocidades de rotación y la dinámica interna de los cuerpos celestes.

A veces, sin embargo, la precisión de su reloj se ha visto alterada por pulsos que inexplicablemente fallaron antes, lo que indica una falla o una aceleración repentina en los giros de la estrella de neutrones. Aunque sus causas exactas no están claras, se ha observado que la caída de energía sigue la ley de potencia (también conocida como ley de escala), una relación matemática que se refleja en muchos sistemas complejos, desde la desigualdad de riqueza hasta los patrones sociales de frecuencia-magnitud. temblores. Así como los terremotos más pequeños ocurren con más frecuencia que los más grandes, las caídas de baja energía son más comunes que las de alta energía en las estrellas de neutrones.

Al volver a analizar 533 conjuntos de datos actualizados de observaciones de estrellas de neutrones que giran rápidamente, llamadas pulsadores, un equipo de físicos descubrió que su red de vórtices cuánticos propuesta, alineada naturalmente con los cálculos sobre el comportamiento de las energías de la ley de potencia de los neutrones, falla sin necesidad de ajustes adicionales, una diferencia. de modelos anteriores. Sus señas de identidad se publican en la revista Scientific Reports.

«Ha pasado más de medio siglo desde el descubrimiento de las estrellas de neutrones, pero hoy no entendemos el mecanismo por el cual ocurrieron las fallas. Por eso propusimos un modelo para explicar este fenómeno», dijo el autor correspondiente del estudio, Muneto Nitta, profesor Investigador especialmente designado y codirector del Instituto Internacional de Sostenibilidad com Materia Meta Quiral Anudada (WPI-SKCM2) de la Universidad de Hiroshima.

Estudios anteriores han presentado las principales teorías para explicar estas fallas: terremotos estelares y avalanchas de vórtices superfluidos. Si, a pesar de los terremotos estelares, que se comportan como terremotos, se puede explicar el patrón de ley potencial presentado, no se pueden explicar todos los tipos de fallas. Los vórtices superfluidos son la explicación más invocada.

«En el escenario estándar, el investigador considera que la avalancha de vórtice no fijada puede explicar el origen de las cataratas», dijo Nitta.

Sin embargo, no hay consenso sobre qué podría desencadenar una catastrófica avalancha de vórtices.

«Si no hay una fijación excesiva, significa que el superfluido libera vórtices uno por uno, lo que permite un ajuste suave de la velocidad de rotación. No habrá avalanchas ni fallas», dijo Nitta.

«Pero en nuestro caso, no necesitamos ningún mecanismo de sujeción ni parámetros adicionales. Sólo tenemos que considerar la estructura de los superfluidos de onda s y onda py. En esta estructura, todos los vórtices están conectados entre sí en cada grupo, por lo que no podemos liberarlos uno por uno. En cambio, la estrella de neutrones tiene que liberar una gran cantidad de vórtices simultáneamente.

Mientras que el núcleo superfluido de una estrella de neutrones gira a un ritmo constante, su componente común ralentiza su velocidad de rotación liberando ondas gravitacionales y pulsos electromagnéticos. Con el tiempo, la discrepancia entre sus velocidades aumenta, porque la estrella arroja vórtices superfluidos, que necesitan una fracción del momento angular, para recuperar el equilibrio. Sin embargo, a medida que los vórtices superfluidos se enredan, arrastran a otros consigo, lo que explica las fallas.

Para explicar cómo los vórtices forman cúmulos rectos, los investigadores han propuesto la existencia de dos tipos de superfluidos en las estrellas de neutrones. La superfluidez de las ondas S, que domina el entorno relativamente más dócil del núcleo externo, favorece la formación de vórtices cuantificados con números internos (IQV). Por el contrario, la superfluidez de la onda p que prevalece en las condiciones extremas del núcleo interno favorece los vórtices de semicanto (HQV).

Como resultado, cada IQV en el núcleo externo de la onda s se divide en dos HQV para ingresar al núcleo interno de la onda p, formando una estructura superfluida similar a un cactus conocida como boojum. A medida que más HQV se separa del IQV y se conecta a través de boojums, la dinámica del cúmulo del vórtice se vuelve cada vez más compleja, muy parecida a los brazos de un cactus que brotan y se entrelazan con las ramas vecinas, creando patrones intrincados.

El investigador realizó simulaciones y descubrió que el exponente del comportamiento de la ley de potencia de las energías descendentes en su modelo (0,8 +/- 0,2) coincidía estrechamente con los datos recopilados (0,88 +/- 0,03). Esto indica que Marco propuso reflejar con precisión las caídas de las estrellas de neutrones del mundo real.