חוקרים קישרו את הפולסים התקופתיים של כוכבי נויטרונים לתקלות פנימיות המושפעות ממערבולות על-נוזליות, כאשר מודל חדש מציע שהתקלות הללו עוקבות אחר דפוס חוק הכוח שנצפה בתופעות טבע שונות. קרדיט: twoday.co.il.com
מחקר שנערך לאחרונה חשף את מקורן של "פעימות הלב" המסתוריות שנצפו בכוכבי נויטרונים, וקושר אותן לתקלות הנגרמות על ידי הדינמיקה של מערבולות על נוזלים.
חוקרים גילו שהתקלות הללו עוקבות אחר התפלגות חוקי הכוח הדומה למערכות מורכבות אחרות ופיתחו מודל המבוסס על רשתות מערבולת קוונטיות שמתיישר עם הנתונים הנצפים ללא כוונון נוסף.
גילוי פעימות הלב של כוכבי ניוטרון
כוכבים מהבהבים בקוד ב-"3 Body Problem" של נטפליקס עשויים להיות מדע בדיוני. עם זאת, מחקר חדש פענח את ההבהובים הפרועים של כוכבי נויטרונים, וחשף את המקור המעוות של "פעימות הלב" המסתוריות של הכוכבים המתים הללו.
כאשר כוכבי נויטרונים – שרידים צפופים במיוחד של כוכבים מסיביים שהתפוצצו בסופרנובות – התגלו לראשונה בשנת 1967, אסטרונומים חשבו שהפולסים התקופתיים המוזרים שלהם יכולים להיות אותות של ציוויליזציה חייזרית. למרות שכיום אנו יודעים ש"פעימות הלב" הללו מקורן בקרני קרינה של גופות כוכבים, לא חיים מחוץ לכדור הארץ, הדיוק שלהן הופך אותם לשעונים קוסמיים מצוינים לחקר תופעות אסטרופיזיות, כמו מהירויות הסיבוב והדינמיקה הפנימית של גרמי השמיים.
אולם לפעמים, השעון שלהם דיוק מופרע על ידי פולסים המגיעים באופן בלתי מוסבר מוקדם יותר, מאותתים על תקלה או על האצה פתאומית בסיבובים של כוכבי הנייטרונים. בעוד שהסיבות המדויקות שלהן עדיין לא ברורות, נצפו אנרגיות תקלות עוקבות אחר חוק הכוח (הידוע גם כחוק קנה המידה) – קשר מתמטי המשתקף במערכות מורכבות רבות מאי שוויון בעושר לדפוסי גודל תדר ברעידות אדמה. בדיוק כפי שרעידות אדמה קטנות יותר מתרחשות בתדירות גבוהה יותר מאשר גדולות יותר, תקלות באנרגיה נמוכה שכיחות יותר מרעידות אדמה בעלות אנרגיה גבוהה בכוכבי נויטרונים.
התמונה מציגה את מודל רשת המערבולת הקוונטית שהוצע על ידי מחברי המחקר. הליבה הפנימית של גל p (ורוד) מקיפה את הליבה החיצונית של גל s (אפורה). קרדיט: Muneto Nitta ו-Shigehiro Yasui
בניתוח מחדש של 533 מערכי נתונים עדכניים מתצפיות של כוכבי נויטרונים מסתובבים במהירות, המכונים פולסרים, צוות פיזיקאים מצא שרשת המערבולת הקוונטית המוצעת שלהם מתיישרת באופן טבעי עם חישובים על התנהגות חוקי הכוח של אנרגיות תקלות מבלי להזדקק לכוונון נוסף, בניגוד לדגמי העבר. הממצאים שלהם מתפרסמים בכתב העת דוחות מדעיים.
מערבולות סופר-נוזליות קבלו טוויסט חדש
"חלפה יותר מחצי מאה מאז גילוי כוכבי נויטרונים, אבל המנגנון של הסיבה לקרות תקלות עדיין לא מובן. אז הצענו מודל שיסביר את התופעה הזו", אמר הסופר המקביל למחקר, Muneto Nitta, פרופסור שמונה במיוחד וחוקר שותף במכון הבינלאומי לקיימות באוניברסיטת הירושימה עם מטא כיראל מסוקס (WPI-SKCM)2).
תצורת תלת מימד של רשת המערבולת הקוונטית. קרדיט: Muneto Nitta ו-Shigehiro Yasui
מחקרים קודמים הציעו שתי תיאוריות עיקריות להסביר את התקלות הללו: רעידות כוכבים ומפולות מערבולת על-נוזליות. בעוד רעידות כוכבים, שמתנהגות כמו רעידות אדמה, עשויות להסביר את דפוס חוק הכוח שנצפה, הן לא יכלו להסביר את כל סוגי התקלות. מערבולות על-נוזליות הן ההסבר הנפוצה.
"בתרחיש הסטנדרטי, החוקרים חושבים שמפולת שלגים של מערבולות לא מחוברות יכולה להסביר את מקורן של תקלות", אמרה ניטה.
עם זאת, לא הייתה הסכמה לגבי מה שעלול לגרום למערבולות למפולת שלגים בצורה קטסטרופלית.
תובנות עיקריות על דינמיקת כוכבי ניוטרונים
"אם לא תהיה הצמדה, זה אומר שהנוזל העל משחרר מערבולות בזה אחר זה, מה שמאפשר התאמה חלקה של מהירות הסיבוב. לא יהיו מפולות שלגים ולא תקלות", אמרה ניטה.
"אבל במקרה שלנו, לא היינו צריכים שום מנגנון של הצמדה או פרמטרים נוספים. היינו צריכים רק לשקול את המבנה של חומרי העל של גל p וגל s. במבנה זה, כל המערבולות מחוברות זו לזו בכל אשכול, כך שלא ניתן לשחרר אותן אחת אחת. במקום זאת, ה כוכב ניטרונים צריך לשחרר מספר רב של מערבולות בו זמנית. זו נקודת המפתח של המודל שלנו".
מבט מלמעלה של רשת מערבולת קוונטית. קרדיט: Muneto Nitta ו-Shigehiro Yasui
בעוד שליבת העל-נוזל של כוכב נויטרונים מסתובבת בקצב קבוע, הרכיב הרגיל שלו מוריד את מהירות הסיבוב שלו על ידי שחרור גלי כבידה ופולסים אלקטרומגנטיים. עם הזמן, פער המהירות שלהם גדל כך שהכוכב מוציא מערבולות סופר-נוזליות, הנושאות שבריר של תנע זוויתי, כדי להחזיר את האיזון. עם זאת, כאשר מערבולות על-נוזליות מסתבכות הן גוררות איתן אחרים, מה שמסביר את התקלות.
אשכולות מעוותים ויישור נתונים בעולם האמיתי
כדי להסביר כיצד מערבולות יוצרות צבירים מעוותים, החוקרים הציעו את קיומם של שני סוגים של נוזלי-על בכוכבי נויטרונים. נזילות-על של גלי S, השולטת בסביבה המאולפת יחסית של הליבה החיצונית, תומכת ביצירת מערבולות שלמות-כמותיות (IQVs). לעומת זאת, נזילות-על-גל-p השוררת בתנאים הקיצוניים של הליבה הפנימית מעדיפה מערבולות חצי-quantized (HQVs). כתוצאה מכך, כל IQV בליבה החיצונית של גל s מתפצל לשני HQVs עם הכניסה לליבה הפנימית של גל p, ויוצרים מבנה נוזלי-על דמוי קקטוס המכונה בוז'ום. ככל שיותר HQVs מתפצלים מ-IQVs ומתחברים דרך בוז'ומים, הדינמיקה של צבירי מערבולת הופכת מורכבת יותר ויותר, בדומה לזרועות קקטוסים הנבטות והשתלבות עם ענפים שכנים, ויוצרות דפוסים מורכבים.
החוקרים הריצו סימולציות ומצאו שהמעריך להתנהגות חוקי הכוח של אנרגיות התקלות במודל שלהם (0.8±0.2) תואם באופן הדוק את הנתונים שנצפו (0.88±0.03). זה מצביע על כך שהמסגרת המוצעת שלהם משקפת במדויק תקלות בכוכבי נויטרונים בעולם האמיתי.
"הטיעון שלנו, למרות שהוא פשוט, חזק מאוד. למרות שאיננו יכולים לצפות ישירות בנוזל העל של גל ה-p, ההשלכה הלוגית של קיומו היא התנהגות חוק הכוח של גדלי האשכולות המתקבלים מסימולציות. תרגום זה לחלוקת חוק הכוח המתאימה לאנרגיות תקלות הראה שזה תואם את התצפיות", אמר מחבר שותף Shigehiro Yasui, חוקר פוסט-דוקטורט ב-WPI-SKCM2 ופרופסור חבר באוניברסיטת נישוגאקושה.
יאסוי וניטה קשורים גם למחלקה לפיזיקה ומרכז מחקר וחינוך למדעי הטבע של אוניברסיטת Keio. משתף פעולה נוסף במחקר הוא ג'אקומו מרמוריני מהמחלקה לפיזיקה של אוניברסיטת ניהון ואוניברסיטת אאוימה גאקוין.
