Une étude révèle l’origine tordue des mystérieux « battements de cœur » des étoiles mortes

Le code clignotant des étoiles dans “3 Body Problem” de Netflix relève peut-être de la science-fiction, mais en déchiffrant le scintillement erratique des étoiles à neutrons, une nouvelle étude a révélé l’origine tordue des mystérieux “battements de coeur” de ces étoiles mortes.

Lorsque les étoiles à neutrons – des restes ultra-denses d’étoiles massives qui ont explosé en supernovae – ont été découvertes pour la première fois en 1967, les astronomes pensaient que leurs étranges impulsions périodiques pourraient être des signaux provenant d’une civilisation extraterrestre. Bien que nous sachions maintenant que ces « battements de cœur » proviennent de faisceaux de rayonnements de cadavres stellaires et non de vie extraterrestre, leur précision en fait d’excellentes horloges cosmiques pour étudier les phénomènes astrophysiques, tels que les vitesses de rotation et la dynamique interne des corps célestes.

Parfois, cependant, leur précision mécanique est perturbée par des impulsions arrivant inexplicablement plus tôt, signalant un problème ou une accélération soudaine de la rotation des étoiles à neutrons. Bien que leurs causes exactes restent floues, il a été observé que les énergies de pépin suivent la loi de puissance (également connue sous le nom de loi d’échelle) – une relation mathématique reflétée dans de nombreux systèmes complexes, depuis l’inégalité des richesses jusqu’aux modèles fréquence-ampleur des tremblements de terre. Tout comme les petits tremblements de terre se produisent plus fréquemment que les plus grands, les problèmes de faible énergie sont plus fréquents que ceux de haute énergie dans les étoiles à neutrons.

En réanalysant 533 ensembles de données à jour provenant d’observations d’étoiles à neutrons à rotation rapide, appelées pulsars, une équipe de physiciens a découvert que le réseau de vortex quantiques proposé s’aligne naturellement avec les calculs sur le comportement de la loi de puissance des énergies glitch sans nécessiter de réglage supplémentaire. contrairement aux modèles précédents. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Rapports scientifiques.

“Plus d’un demi-siècle s’est écoulé depuis la découverte des étoiles à neutrons, mais le mécanisme par lequel les problèmes se produisent n’est pas encore compris. Nous avons donc proposé un modèle pour expliquer ce phénomène”, a déclaré l’auteur correspondant de l’étude, Muneto Nitta, professeur spécialement désigné et co-chercheur principal à l’Institut international pour la durabilité avec la méta-matière chirale nouée de l’Université d’Hiroshima (WPI-SKCM²).

Les vortex superfluides prennent une nouvelle tournure

Des études antérieures ont proposé deux théories principales pour expliquer ces problèmes : les tremblements d’étoiles et les avalanches de vortex superfluides. Bien que les tremblements d’étoiles, qui se comportent comme des tremblements de terre, puissent expliquer le modèle de loi de puissance observé, ils ne peuvent pas expliquer tous les types de problèmes. Les vortex superfluides en sont l’explication largement invoquée.

“Dans le scénario standard, les chercheurs considèrent qu’une avalanche de vortex non fixés pourrait expliquer l’origine des problèmes”, a déclaré Nitta.

Cependant, il n’existe pas de consensus sur ce qui pourrait déclencher des avalanches catastrophiques dans les tourbillons.

“S’il n’y avait pas de blocage, cela signifie que le superfluide libère des vortex un par un, permettant un ajustement en douceur de la vitesse de rotation. Il n’y aurait ni avalanches ni problèmes”, a déclaré Nitta.

« Mais dans notre cas, nous n’avions pas besoin de mécanisme de blocage ou de paramètres supplémentaires. Nous avons seulement dû prendre en compte la structure des superfluides à ondes p et s. Dans cette structure, tous les tourbillons sont connectés les uns aux autres dans chaque amas, ils ne peuvent donc pas être libérés un par un. Au lieu de cela, l’étoile à neutrons doit libérer un grand nombre de tourbillons simultanément. C’est le point clé de notre modèle. »

Alors que le noyau superfluide d’une étoile à neutrons tourne à un rythme constant, son composant ordinaire réduit sa vitesse de rotation en libérant des ondes gravitationnelles et des impulsions électromagnétiques. Au fil du temps, leur écart de vitesse s’accroît, de sorte que l’étoile expulse des vortex superfluides, qui transportent une fraction du moment cinétique, pour retrouver son équilibre. Cependant, à mesure que les vortex superfluides s’entremêlent, ils en entraînent d’autres avec eux, expliquant les problèmes.

Pour expliquer comment les vortex forment des amas torsadés, les chercheurs ont proposé l’existence de deux types de superfluides dans les étoiles à neutrons. La superfluidité des ondes S, qui domine l’environnement relativement plus calme du noyau externe, favorise la formation de vortex quantifiés en nombres entiers (IQV). En revanche, la superfluidité des ondes p qui prévaut dans les conditions extrêmes du noyau interne favorise les vortex semi-quantifiés (HQV).

En conséquence, chaque IQV dans le noyau externe de l’onde S se divise en deux HQV lors de son entrée dans le noyau interne de l’onde P, formant une structure superfluide semblable à un cactus connue sous le nom de boojum. À mesure que de plus en plus de HQV se séparent des IQV et se connectent via des boojums, la dynamique des amas de vortex devient de plus en plus complexe, un peu comme les bras de cactus germent et s’entrelacent avec les branches voisines, créant des motifs complexes.

Les chercheurs ont effectué des simulations et ont découvert que l’exposant du comportement de la loi de puissance des énergies de pépin dans leur modèle (0,8 ± 0,2) correspondait étroitement aux données observées (0,88 ± 0,03). Cela indique que le cadre proposé reflète fidèlement les problèmes réels des étoiles à neutrons.

“Notre argument, bien que simple, est très puissant. Même si nous ne pouvons pas observer directement le superfluide d’onde p à l’intérieur, la conséquence logique de son existence est le comportement en loi de puissance des tailles d’amas obtenus à partir des simulations. Traduire cela en une puissance correspondante “La distribution des lois pour les énergies de pépin a montré qu’elle correspond aux observations”, a déclaré le co-auteur Shigehiro Yasui, chercheur postdoctoral au WPI-SKCM.² et professeur agrégé à l’Université Nishogakusha.

“Une étoile à neutrons est une situation très particulière car les trois domaines de l’astrophysique, de la physique nucléaire et de la physique de la matière condensée se rencontrent en un seul point. C’est très difficile à observer directement car les étoiles à neutrons existent loin de nous, nous devons donc faire une lien profond entre la structure intérieure et certaines données d’observation de l’étoile à neutrons.

Yasui et Nitta sont également affiliés au département de physique et au centre de recherche et d’enseignement des sciences naturelles de l’université Keio. Giacomo Marmorini, du département de physique de l’université Nihon et de l’université Aoyama Gakuin, est un autre collaborateur de l’étude.