Eine neue Studie hat den verdrehten Ursprung der mysteriösen „Arrhythmien“ enthüllt, die in den von Neutronensternen emittierten Impulsen auftreten.
Als diese ultradichten Überreste massereicher Sterne, die in Supernovae explodierten, 1967 erstmals entdeckt wurden, dachten Astronomen, ihre seltsamen periodischen Pulse könnten Anzeichen einer außerirdischen Zivilisation sein. Obwohl wir jetzt wissen, dass diese „Beats“ von der Strahlung stellarer Leichen und nicht von außerirdischem Leben herrühren, sind sie aufgrund ihrer Präzision hervorragende kosmische Uhren für die Untersuchung astrophysikalischer Phänomene wie Rotationsgeschwindigkeiten und der inneren Dynamik von Himmelskörpern
Manchmal wird die Genauigkeit ihrer Uhr jedoch durch Impulse beeinträchtigt, die aus unerklärlichen Gründen früher eintreffen, was auf eine Störung oder eine plötzliche Beschleunigung der Spins des Neutronensterns hindeutet. Obwohl die genauen Ursachen unklar bleiben, wurde beobachtet, dass Ausfallenergien dem Potenzgesetz (auch als Skalierungsgesetz bekannt) folgen, einem mathematischen Zusammenhang, der sich in vielen komplexen Systemen widerspiegelt, von der Vermögensungleichheit bis hin zu Frequenz-Magnituden-Mustern bei Erdbeben. So wie kleinere Erdbeben häufiger auftreten als größere, sind Störungen niedriger Energie in Neutronensternen häufiger als Störungen hoher Energie.
Durch die erneute Analyse von 533 aktualisierten Datensätzen von Beobachtungen schnell rotierender Neutronensterne, sogenannte Pulsare, fand ein Team von Physikern heraus, dass ihr vorgeschlagenes Quantenwirbelnetzwerk auf natürliche Weise mit Berechnungen über das Potenzgesetzverhalten von Fehlerenergien übereinstimmt, ohne dass zusätzliche Anpassungen erforderlich sind, anders als bei früheren Modelle. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.
„Seit der Entdeckung von Neutronensternen ist mehr als ein halbes Jahrhundert vergangen, aber der Mechanismus, durch den Ausfälle auftreten, ist immer noch nicht verstanden. Deshalb haben wir ein Modell zur Erklärung dieses Phänomens vorgeschlagen“, sagte der entsprechende Autor der Studie, Muneto Nitta Professor und Co-Hauptforscher des International Institute for Sustainability with Knotted Meta-Chiral Matter (WPI-SKCM2) an der Universität Hiroshima.
Frühere Studien haben zwei Haupttheorien zur Erklärung dieser Ausfälle vorgeschlagen: Sternbeben und supraflüssige Wirbellawinen. Sternbeben, die sich wie Erdbeben verhalten, könnten zwar das beobachtete Potenzgesetzmuster erklären, sie könnten jedoch nicht alle Arten von Störungen erklären. Supraflüssige Wirbel sind die am häufigsten angeführte Erklärung.
„Im Standardszenario gehen die Forscher davon aus, dass die Lawine gelöster Wirbel den Ursprung der Verwerfungen erklären könnte“, sagte Nitta.
Es besteht jedoch kein Konsens darüber, was einen katastrophalen Ansturm von Wirbeln auslösen könnte.
„Wenn es keine Fixierung gäbe, würde das bedeuten, dass das Superfluid einen Wirbel nach dem anderen freisetzt, was eine reibungslose Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit ermöglicht. Es gäbe keine Lawinen oder Ausfälle“, sagte Nitta.
„Aber in unserem Fall brauchten wir keinen Pinning-Mechanismus oder zusätzliche Parameter. Wir mussten nur die Struktur von p-Wellen- und S-Wellen-Supraflüssigkeiten berücksichtigen. In dieser Struktur sind alle Wirbel in jeder Gruppe miteinander verbunden, Sie können also nicht einzeln freigesetzt werden, sondern der Neutronenstern muss eine große Anzahl von Wirbeln gleichzeitig freisetzen.
Während sich der superflüssige Kern eines Neutronensterns mit konstanter Geschwindigkeit dreht, verlangsamt seine gewöhnliche Komponente seine Rotationsgeschwindigkeit und setzt Gravitationswellen und elektromagnetische Impulse frei. Mit der Zeit nimmt die Diskrepanz zwischen ihren Geschwindigkeiten zu, sodass der Stern supraflüssige Wirbel ausstößt, die einen Bruchteil des Drehimpulses tragen, um das Gleichgewicht wiederherzustellen. Wenn sich die supraflüssigen Wirbel jedoch verschränken, ziehen sie andere mit sich, was die Störungen erklärt.
Um zu erklären, wie Wirbel verdrehte Cluster bilden, schlugen Forscher die Existenz von zwei Arten von Superflüssigkeiten in Neutronensternen vor. S-Wellen-Superfluidität, die die relativ fügsamere Umgebung des äußeren Kerns dominiert, begünstigt die Bildung ganzzahliger quantisierter Wirbel (IQVs). Im Gegensatz dazu begünstigt die unter den extremen Bedingungen des inneren Kerns vorherrschende p-Wellen-Superfluidität semiquantisierte Wirbel (HQV).
Infolgedessen spaltet sich jedes IQV im äußeren S-Wellen-Kern beim Eintritt in den inneren P-Wellen-Kern in zwei HQVs auf und bildet eine kaktusartige supraflüssige Struktur, die als Boojum bekannt ist. Da sich immer mehr HQV von IQV trennen und über Boojums verbinden, wird die Dynamik von Wirbelclustern immer komplexer, ähnlich wie die Arme von Kakteen, die sprießen und sich mit benachbarten Zweigen verflechten, wodurch komplizierte Muster entstehen.
Die Forscher führten Simulationen durch und stellten fest, dass der Exponent des Potenzgesetzverhaltens der Ausfallenergien in ihrem Modell (0,8 +/- 0,2) eng mit den beobachteten Daten (0,88 +/- 0,03) übereinstimmte. Dies deutet darauf hin, dass der vorgeschlagene Rahmen die Ausfälle realer Neutronensterne genau widerspiegelt.
