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死亡恒星的有毛病“心跳”的秘密可能有一个扭曲的解决方案

2024-07-05 08:12阅读：

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死亡恒星的有毛病“心跳”的秘密可能有一个扭曲的解决方案

By Robert Lea
published 6 minutes ago
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“自发现中子星以来已经过去了半个多世纪，但为什么毛病发生的机制没有被理解”。
死亡恒星的有毛病“心跳”的秘密可能有一个扭曲的解决方案

一颗“死星”中子星体验“毛病”的描画。' (Image credit: Carl Knox/OzGrav/Robert Lea (created with canva))
科学家们可能已
经破解了宇宙的最极端的“死星”心脏的仍在跳动的秘密，而这个解释是扭曲的。
研究小组认为一个量子龙卷风的雪崩造成在一类叫脉冲星的中子星的自旋转当它变得与它的邻居纠缠时这种“毛病”，就像一系列紧邻的仙人掌臂创造扭曲而复杂的图案一样。
团队成员和广岛大学教授新田（Muneto Nitta）在一份声明中说，“自发现中子星以来已经过去了半个多世纪，但为什么毛病发生的机制还没有被了解，因此，我们提出一个来解释这种现象的模型”。
一组研究人员观测了533个脉冲星来解开这些毛病的秘密。他们提出毛病就像一个“量子涡旋网络”与幂律计算对齐的结果一样，从而开发一种不需要“额外调整”的模型，这与以前的中子星毛并模型不一样。
中子星“毛病”深入的
当大质量恒星死亡时中子星被诞生，核聚变的燃料耗尽并在它们自身引力下坍塌。它们的外层在巨大的超新星爆炸中被吹走。这留下一个有质量是太阳质量一到两倍挤到一个大约12英里（公里）直径的恒星核。这是足够小与地球上的普通城市适配。
这种坍塌的后果是电子和质子被一起压碎，创造一个如此密集以至于如果将一汤匙的中子星带到地球重量将超过10亿吨超过珠穆朗玛峰的中子海洋。
恒星核的粉碎也对年轻中子星的快速旋转是负责的，有些中子星的速度高达每秒700圈。这是因为角动量守恒，这类似于地球上一个溜冰者抽回他们的手臂来增加自旋的速度。
刚刚“死亡”的中子星或“脉冲星”出现来脉动，因为它们快速旋转它们的从两极辐射的爆炸束。当脉冲星的光束直接指向地球时脉冲星周期性的变亮，使它们出现来脉冲（因此得名）。这种脉冲能被比作一个宇宙的“心跳”，它是如此精确以至于这些年轻的中子星能被用作为在所谓的脉冲星计时阵列中的宇宙秒表来测量天体事件的时间。
然而，有一个障碍。一些中子星出现偶尔的“毛病”，短暂地加快它们的旋转和它们的脉冲的交付，从而扰乱它们心跳的规律性。这些毛病的原因被笼罩在神秘中。
脉冲星毛病出现来遵循一个与地球上的地震类似的模式或“幂律”。正如低震级地震比高震级地震更常见一样，对脉冲星低能量毛病比高能和极端毛病更经常发生。

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一个中子星与曼哈顿岛比较的描画。 (Image credit: NASA's Goddard Space Flight Center)
与中子星毛病相关的流行机制有两种：星震和形成像构成一个中子星内部的超流体汤中的微观飓风的微小量子涡旋“雪崩”。
量子漩涡通常比星震更广泛的被接受为一个解释，因为虽然星震会遵循像地震一样的幂律，但它们挣扎来解释所有类型的中子星毛病。然而，尽管被更广泛地接受，但没有真正的什么能引发一个灾难性的超流体涡旋雪崩能到达一个中子星的表面并造成它增加它的旋转速度的解释。
新田在新闻稿中解释道，“在标准场景中，研究人员考虑未固定的涡旋雪崩可以解释毛病的起源，如果没有固定，这意味着超流体一个一个释放涡流，允许一个转速中的平稳调整。不会有雪崩，也不会有毛病”。
新田补充说，该团队的模型不需要一个额外的固定机制。该模型只需要考虑由两种类型的波组成涟漪过一个中子星的超流体内部的结构：一个“P波”，这是一种快速移动的纵波，“S波”，这是一种移动较慢的横波。
新田继续说道，“在这种结构中，在每个星团中的所有漩涡都彼此被连接，因此它们不能一个接一个释放。相反，中子星必须同时的释放大量涡旋。这是我们模型的关键点”。

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一个快速自旋的高磁性中子星的描画。 (Image credit: ICE-CSIC - D. Futselaar - Marino et al.)

中子星中的普通物质是一个拖累

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该团队的模型提出一个中子星的超流体核以一个恒定的步伐自旋，但非超流体的“普通”成分拖曳在它上。其结果是通过发射电磁脉冲和叫引力波的空间和时间中的微小涟漪中子星的旋转速度减慢。
随着时间，速度差异增大，造成中子星内部驱逐超流体涡旋，携带角动量，加速起普通成分并造成我们叫脉冲星毛病的旋转速率增加。
研究小组提出中子星中的超流体被分为两种类型，这解释这些漩涡是如何被诞生。S波超流体在中子星的外核中占主导地位，提供一个相对温和的环境，支持形成有整数或“整数”自旋的涡旋。然而，在一个中子星的内核中，研究小组认为p波超流体占主导地位，创造有利于半整数自旋涡旋的极端条件。
这意味着当进入p波主导的内核时一个完整的整数自旋涡旋将分裂成两个半整数涡旋。这创造一种形状像一个仙人掌的叫一个“如布胶树”的超流体结构。随着越来越多的半涡流通过如布胶树被创造和连接，涡旋团的动力学变得越发复杂。想象就像一个仙人掌的臂与一个邻近植物的臂交织在一起创造越来越复杂和扭曲的图案。

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（主）量子涡旋网络模型显示 p 波内核（粉红色）被 s 波外核（灰色）包围。 （右上）量子涡旋网络的 3D 结构（右下）从上面看到的网络 。(Image credit: Muneto Nitta and Shigehiro Yasui)
该团队进行了表明他们的模型非常接近来复制现实世界中子星毛病能量的仿真。
团队成员和日商学社大学副教授安井（Shigehiro Yasui）说，“我们的论点虽然简单但非常强大。即便我们不能直接观测内部的p波超流体，但它的存在的逻辑结果是从仿真获得的团簇大小的幂律行为，将这个转化为一个毛病能量的相应幂律分布表明了它与观测结果相匹配”。
安井总结道，“中子星是一种非常特殊的情况，因为天体物理学、核物理学和凝聚态物理学这三个领域在某一点相遇，来直接观测是非常困难的，因为中子星离我们很远存在。因此，我们需要在内部结构和中子星的一些观测数据之间做出一个深层次的联系”。
该团队的研究被发表在 Scientific Reports期刊上。
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