Ультрахолодные квантовые газы, состоящие из диполярных атомов, образуют идеальную платформу для моделирования механизмов внутри нейтронных звезд.
Фото: Елена Поли, Университет Инсбрука.

Сотрудничество квантовых физиков и астрофизиков под руководством Франчески Ферлайно и Массимо Маннарелли привело к значительному прорыву в понимании сбоев нейтронных звезд. Им удалось численно смоделировать это загадочное космическое явление с помощью ультрахолодных диполярных атомов. Это исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, устанавливает прочную связь между квантовой механикой и астрофизикой и открывает путь для квантового моделирования звездных объектов с Земли.

Нейтронные звезды, известные своими периодическими вспышками света и быстрым вращением, являются одними из самых плотных объектов во Вселенной, их масса сравнима с массой Солнца, но они сжаты в сфера диаметром всего около 20 километров.

Эти звездные объекты демонстрируют своеобразное поведение, известное как «сбой», когда звезда внезапно ускоряет свое вращение. Это явление предполагает, что нейтронные звезды могут быть частично сверхтекучими. В сверхтекучей жидкости вращение характеризуется множеством крошечных вихрей, каждый из которых несет долю углового момента. Сбой возникает, когда эти вихри выходят из внутренней коры звезды в ее твердую внешнюю кору, тем самым увеличивая скорость вращения звезды.

Ключевым ингредиентом этого исследования является концепция «сверхтвердого тела» — состояния, которое проявляет как кристаллические, так и сверхтекучие свойства — которое, по прогнозам, является необходимым компонентом сбоев нейтронных звезд. Квантовые вихри гнездятся внутри сверхтвердого тела до тех пор, пока они все вместе не ускользнут и, следовательно, не будут поглощены внешней корой звезды, ускоряя ее вращение. Недавно сверхтвердая фаза была реализована в экспериментах с ультрахолодными диполярными атомами, что дало уникальную возможность смоделировать условия внутри нейтронной звезды.

Исследование, проведенное исследователями из Инсбрукского университета и Австрийской академии наук, а также Лаборатори Национали дель Гран Сассо и Научного института Гран Сассо в Италии, показывает, что сбои могут возникать в ультрахолодных сверхтвердых телах, служащих универсальными аналогами внутренней части звезды. Этот новаторский подход позволяет детально изучить механизм сбоев, включая его зависимость от качества супертела.

«Наше исследование устанавливает прочную связь между квантовой механикой и астрофизикой и открывает новый взгляд на внутреннюю природу нейтронных звезд», — говорит первый автор Елена Поли. Сбои дают ценную информацию о внутренней структуре и динамике нейтронных звезд. Изучая эти события, ученые смогут больше узнать о свойствах материи в экстремальных условиях.

«Это исследование демонстрирует новый подход к пониманию поведения нейтронных звезд и открывает новые возможности для квантового моделирования звездных объектов в низкоэнергетических земных лабораториях», — говорит Франческа Ферлайно.