Il modello di rete di vortici quantistici proposto dagli autori dello studio. Il nucleo interno a onde p (rosa) circonda il nucleo esterno a onde s (grigio).
Le stelle che lampeggiano in codice in “3 Body Problem” di Netflix potrebbero essere fantascienza, ma decifrando gli sfarfallii irregolari delle stelle di neutroni, un nuovo studio ha rivelato l’origine contorta dei misteriosi “battiti cardiaci” di queste stelle morte.
Quando le stelle di neutroni – resti ultra-densi di stelle massicce esplose in supernove – furono scoperte per la prima volta nel 1967, gli astronomi pensarono che i loro strani impulsi periodici potessero essere segnali di una civiltà aliena. Sebbene oggi sappiamo che questi “battiti cardiaci” provengono dai fasci di radiazioni dei cadaveri stellari e non dalla vita extraterrestre, la loro precisione li rende eccellenti orologi cosmici per lo studio di fenomeni astrofisici, come le velocità di rotazione e le dinamiche interne dei corpi celesti.
A volte, però, la loro precisione viene interrotta da impulsi che arrivano inspiegabilmente prima, segnalando un’anomalia o un’improvvisa accelerazione della rotazione delle stelle di neutroni. Sebbene le cause esatte non siano ancora chiare, è stato osservato che le energie dei glitch seguono la legge di potenza (nota anche come legge di scala), una relazione matematica che si riflette in molti sistemi complessi, dalla disuguaglianza di ricchezza agli schemi frequenza-magnitudo dei terremoti. Proprio come i terremoti più piccoli si verificano più frequentemente di quelli più grandi, i glitch a bassa energia sono più comuni di quelli ad alta energia nelle stelle di neutroni.
Analizzando nuovamente 533 serie di dati aggiornati provenienti da osservazioni di stelle di neutroni in rapida rotazione, chiamate pulsar, un team di fisici ha scoperto che la rete di vortici quantistici da loro proposta si allinea naturalmente con i calcoli sul comportamento a legge di potenza delle energie glitch senza bisogno di ulteriori messe a punto, a differenza dei modelli precedenti.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Scientific Reports.
“È passato più di mezzo secolo dalla scoperta delle stelle di neutroni, ma il meccanismo per cui si verificano i glitch non è ancora stato compreso. Abbiamo quindi proposto un modello per spiegare questo fenomeno“, ha dichiarato l’autore dello studio Muneto Nitta, professore incaricato e ricercatore principale presso l’International Institute for Sustainability with Knotted Chiral Meta Matter (WPI-SKCM2) dell’Università di Hiroshima.
I vortici superfluidi si arricchiscono di una nuova chiave di lettura
Configurazione 3D della rete di vortici quantistici.
Studi precedenti hanno proposto due teorie principali per spiegare questi glitch: i terremoti stellari e le valanghe di vortici superfluidi. Sebbene le scosse stellari, che si comportano come terremoti, possano spiegare l’andamento della legge di potenza osservata, non sono in grado di spiegare tutti i tipi di glitch. I vortici superfluidi sono la spiegazione ampiamente invocata.
“Nello scenario standard, i ricercatori ritengono che una valanga di vortici non bloccati possa spiegare l’origine dei glitch“, ha detto Nitta.
Tuttavia, non c’è stato consenso su cosa potrebbe innescare una valanga di vortici in modo catastrofico.
“Se non c’è alcun appiglio, significa che il superfluido rilascia i vortici uno alla volta, consentendo una regolazione regolare della velocità di rotazione. Non ci sarebbero valanghe né intoppi“, ha detto Nitta.
“Nel nostro caso, però, non abbiamo avuto bisogno di alcun meccanismo di pinning o di parametri aggiuntivi. Dovevamo solo considerare la struttura dei superfluidi a onde p e s. In questa struttura, tutti i vortici sono collegati tra loro in ogni cluster, quindi non possono essere rilasciati uno per uno. La stella di neutroni deve invece rilasciare un gran numero di vortici simultaneamente. Questo è il punto chiave del nostro modello“.
Mentre il nucleo superfluido di una stella di neutroni ruota a un ritmo costante, la sua componente ordinaria abbassa la velocità di rotazione rilasciando onde gravitazionali e impulsi elettromagnetici. Nel corso del tempo, la loro discrepanza di velocità aumenta e la stella espelle vortici superfluidi, che trasportano una frazione di momento angolare, per ritrovare l’equilibrio. Tuttavia, poiché i vortici superfluidi sono aggrovigliati, ne trascinano altri con sé, spiegando i problemi.
Vista dall’alto di una rete di vortici quantistici.
Per spiegare come i vortici formino ammassi contorti, i ricercatori hanno proposto l’esistenza di due tipi di superfluidi nelle stelle di neutroni. La superfluidità d’onda S, che domina l’ambiente relativamente più tranquillo del nucleo esterno, favorisce la formazione di vortici interi-quantizzati (IQV). Al contrario, la superfluidità delle onde p, che prevale nelle condizioni estreme del nucleo interno, favorisce i vortici semiquantizzati (HQV).
Di conseguenza, ogni IQV nel nucleo esterno in onda s si divide in due HQV quando entra nel nucleo interno in onda p, formando una struttura superfluida simile a un cactus, nota come boojum. Man mano che altri HQV si dividono dagli IQV e si collegano attraverso i boojum, la dinamica degli ammassi di vortici diventa sempre più complessa, come le braccia di un cactus che spuntano e si intrecciano con i rami vicini, creando schemi intricati.
I ricercatori hanno effettuato delle simulazioni e hanno scoperto che l’esponente del comportamento power-law delle energie dei glitch nel loro modello corrispondeva perfettamente ai dati osservati. Ciò indica che il quadro proposto riflette accuratamente i glitch delle stelle di neutroni del mondo reale.
“Il nostro argomento, pur essendo semplice, è molto potente. Anche se non possiamo osservare direttamente il superfluido a onde p al suo interno, la logica conseguenza della sua esistenza è il comportamento a legge di potenza delle dimensioni dei cluster ottenuto dalle simulazioni. Traducendo questo comportamento in una corrispondente distribuzione a legge di potenza per le energie del glitch, abbiamo dimostrato che corrisponde alle osservazioni“, ha dichiarato il coautore Shigehiro Yasui, ricercatore post-dottorato presso il WPI-SKCM2 e professore associato presso l’Università di Nishogakusha.
“Una stella di neutroni è una situazione molto particolare perché i tre campi dell’astrofisica, della fisica nucleare e della fisica della materia condensata si incontrano in un unico punto. È molto difficile osservarla direttamente perché le stelle di neutroni esistono a grande distanza da noi, quindi dobbiamo creare una connessione profonda tra la struttura interna e alcuni dati di osservazione della stella di neutroni“.
Yasui e Nitta sono anche affiliati al Dipartimento di Fisica e al Centro di Ricerca e Istruzione per le Scienze Naturali della Keio University. Un altro collaboratore dello studio è Giacomo Marmorini del Dipartimento di Fisica della Nihon University e della Aoyama Gakuin University.
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