Ученые смоделировали механизмы сбоя периода вращения пульсаров

Период вращения всех наблюдаемых пульсаров постепенно увеличивается на время от нескольких секунд до миллионов лет. Однако в некоторых пульсарах это замедление вращения иногда нарушается сбоями

Сверхтекучесть внутренней составляющей вращающихся нейтронных звезд (пульсаров) может быть ответственна за редко, но все же наблюдающиеся сбои периодов их вращения – глитчи. Сверхтекучее ядро вращается в виде квантованных вихревых нитей – квантовых трубок, которые устремляются к несверхтекучей коре и застревают в ней. Массовый отрыв трубок и есть причина наблюдающихся сбоев. Как это происходит, показали ученые из Институтов Мельбурна и Кембриджа, доложившие об этом на Гинзбурговской конференции в ФИАН.

Пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды, излучающие электромагнитные волны. Период вращения всех наблюдаемых пульсаров постепенно увеличивается на время от нескольких секунд до миллионов лет. Однако в некоторых пульсарах это замедление вращения иногда нарушается сбоями – резкими ускорениями, после которых процесс замедления восстанавливается. Ученые уверены, что такое поведение нейтронных звезд свидетельствует в пользу того, что они состоят из твердой коры и сверхтекучего ядра. Дело в том, что вращение сверхтекучей жидкости осуществляется совсем по другим законам, нежели в случае с обычной жидкостью. Сверхтекучее ядро вращается в виде квантованных вихревых нитей – квантовых трубок, параллельных оси вращения нейтронной звезды. Во время замедления вращения нейтронной звезды квантовые трубки дрейфуют наружу и могут либо проскальзывать сквозь кору (редко), либо цепляться за атомные ядра или дефекты кристалла в коре нейтронной звезды. По одной из версий, сбои периодов вращения пульсаров происходят из-за массового отрыва трубок. Профессор Эндрю Мелатос из Университета Мельбурна (Австралия) с соавторами предложили механизмы и провели численное моделирование, основанное на решении зависимого от времени уравнения Гросс-Питаевского, для процессов массового вырывания квантовых трубок в нейтронной звезде.

«Динамика проскальзывающих вихрей уже локально исследовалась другими авторами. Мы же попытались проследить за коллективным поведением вихрей. У нас есть модель того, почему происходят сбои периодов вращения пульсаров, но недостает конкретного механизма для запуска лавинных процессов открепления вихрей. Мы предлагаем три механизма, которые могут сочетаться», – рассказал профессор Эндрю Мелатос во время Гинзбурговской конференции по физике.

Первый механизм – это взаимодействие вихрей и обтекающего их конденсата. По аналогии с ситуацией, когда водоворот соседствует с ламинарным потоком, квантовые трубки испытывают т. н. эффект Магнуса, когда они движутся сквозь окружающую их среду. Упрощенно говоря, этот эффект заключается в том, что вращающийся объект формирует вокруг себя вихревое движение. Такая реакция обтекающей вихрь среды может стать причиной вырывания одного из близлежащих застрявших вихрей.

Докторант Лила Варшавски занималась непосредственно численным моделированием. «Целью этого эксперимента было отслеживание изменений энергии системы при движении вихря, а также отслеживание того, как и куда передается энергия, выделяемая при откреплении вихря. Результаты многих подобных экспериментов подтверждают, что вихри всегда вырываются при некотором значении глобального углового сдвига, и при этом всегда меняется суммарная энергия системы», – говорит она.

Второй предложенный механизм – это акустические волны от стремящихся наружу вихрей, способные оторвать другие, ближайшие к ним вихри. Для его моделирования ученые искусственно сгенерировали импульс, который позволил одному из вихрей сорваться с его места.

После этого они проследили за акустической волной от вырвавшейся трубки. Как показывает моделирование, даже спонтанно вырвавшийся вихрь может породить достаточную для вырывания соседнего вихря акустическую волну.

На рисунке изображен процесс отрыва стоящего на месте вихря за счет акустической волны от спонтанно вырвавшего вихря. Изначально застрявший в зоне B вихрь, сместился в зону А и после застрял в зоне С. Фото с сайта fian-inform.ru

И, наконец, третий механизм реализуется за счет эффекта близости трубок, согласно которому движущийся вихрь, проходящий мимо застрявшего, может сорвать его. Этот сценарий был смоделирован в двух версиях – когда вихрь вырывают вручную и когда он двигается баллистически, без препятствий на его пути.

На рисунке изображен процесс прохождения подвижного вихря мимо застрявшего, согласно эффекту близости вихрей. Фото с сайта fian-inform.ru

Пока моделирование предложенных механизмов было проведено только для двумерной системы и для одного «поколения» реакции н а тот или иной пусковой механизм. Усложнение задачи – предмет следующей работы. Однако, учитывая сложность расчетов, проделанные расчеты – уже весьма достойный и важный результат.

Источник: АНИ «ФИАН-информ»