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Um estudo recente revelou as origens dos misteriosos “batimentos cardíacos” observados em estrelas de nêutrons, relacionando-os com falhas causadas pela dinâmica de vórtices superfluidos.
Os pesquisadores descobriram que essas falhas seguem uma distribuição de lei de potência semelhante a outros sistemas complexos e desenvolveram um modelo baseado em redes de vórtices quânticos que se alinham com os dados observados sem ajuste extra.
Descobrindo o código de estrelas de nêutrons Heartbeats Stars piscando no problema dos 3 corpos da Netflix pode ser ficção científica.
No entanto, um novo estudo decifrou as oscilações erráticas das estrelas de nêutrons, revelando a origem distorcida dos misteriosos batimentos cardíacos dessas estrelas mortas.
Quando as estrelas de nêutrons – remanescentes ultradensos de estrelas massivas que explodiram em supernovas – foram descobertas pela primeira vez em 1967, os astrônomos pensaram seus estranhos pulsos periódicos poderiam ser sinais de uma civilização alienígena.
Embora agora saibamos que esses batimentos cardíacos se originam de feixes de radiação de cadáveres estelares, e não de vida extraterrestre, sua precisão os torna excelentes relógios cósmicos para estudar fenômenos astrofísicos, como as velocidades de rotação e a dinâmica interna dos corpos celestes.
Às vezes, porém, a precisão do relógio é perturbada por pulsos que chegam inexplicavelmente mais cedo, sinalizando uma falha ou uma aceleração repentina na rotação das estrelas de nêutrons.
Embora suas causas exatas permaneçam obscuras, observou-se que as energias de falha seguem a lei de potência (também conhecida como lei de escala) – uma relação matemática refletida em muitos sistemas complexos, desde a desigualdade de riqueza até padrões de magnitude de frequência em terremotos.
Assim como os terremotos menores ocorrem com mais frequência do que os maiores, as falhas de baixa energia são mais comuns do que as de alta energia nas estrelas de nêutrons.
A imagem mostra o modelo de rede de vórtice quântico proposto pelos autores do estudo.
O núcleo interno da onda p (rosa) envolve o núcleo externo da onda s (cinza).
Crédito: Muneto Nitta e Shigehiro Yasui[/caption] Reanalisando 533 conjuntos de dados atualizados de observações de estrelas de nêutrons em rotação rápida, chamadas pulsares, uma equipe de físicos descobriu que sua rede de vórtice quântico proposta se alinha naturalmente com os cálculos em o comportamento da lei de potência das energias de falha sem a necessidade de ajuste extra, ao contrário dos modelos anteriores.
Suas descobertas são publicadas na revista Scientific Reports.
Vórtices superfluidos ganham uma nova reviravolta Mais de meio século se passou desde a descoberta das estrelas de nêutrons, mas o mecanismo pelo qual as falhas acontecem ainda não é compreendido.
Portanto, propusemos um modelo para explicar esse fenômeno”, disse o autor correspondente do estudo, Muneto Nitta, professor especialmente nomeado e co-investigador principal do Instituto Internacional de Sustentabilidade com Meta Matéria Quiral Atada (WPI-SKCM2) da Universidade de Hiroshima.
Configuração 3D da rede de vórtice quântico.
Crédito: Muneto Nitta e Shigehiro Yasui[/caption] Estudos anteriores propuseram duas teorias principais para explicar essas falhas: terremotos estelares e avalanches de vórtices superfluidos.
Embora os terremotos estelares, que se comportam como terremotos, possam explicar o padrão observado da lei de potência, eles não podem explicar todos os tipos de falhas.
Vórtices superfluidos são a explicação amplamente invocada.
No cenário padrão, os pesquisadores consideram que uma avalanche de vórtices soltos poderia explicar a origem das falhas”, disse Nitta.
No entanto, não houve consenso sobre o que poderia desencadear uma avalanche catastrófica de vórtices.
Principais insights sobre a dinâmica das estrelas de nêutrons Se não houvesse fixação, isso significa que o superfluido libera vórtices um por um, permitindo um ajuste suave na velocidade de rotação.
Não haveria avalanches nem falhas”, disse Nitta.
Mas no nosso caso, não precisamos de nenhum mecanismo de fixação ou parâmetros adicionais.
Precisávamos apenas considerar a estrutura dos superfluidos de ondas p e ondas s.
Nesta estrutura, todos os vórtices estão conectados entre si em cada cluster, portanto não podem ser liberados um por um.
Em vez disso, a estrela de nêutrons precisa liberar um grande número de vórtices simultaneamente.
Esse é o ponto-chave do nosso modelo. Vista superior de uma rede de vórtice quântico.
Crédito: Muneto Nitta e Shigehiro Yasui Enquanto o núcleo superfluido de uma estrela de nêutrons gira em um ritmo constante, seu componente comum reduz sua velocidade de rotação ao liberar ondas gravitacionais e pulsos eletromagnéticos.
Com o tempo, a discrepância de velocidade aumenta, de modo que a estrela expele vórtices superfluidos, que carregam uma fração do momento angular, para recuperar o equilíbrio.
No entanto, à medida que os vórtices superfluidos se enredam, eles arrastam outros com eles, explicando as falhas.Aglomerados torcidos e alinhamento de dados do mundo real Para explicar como os vórtices formam aglomerados torcidos, os cientistas propuseram a existência de dois tipos de superfluidos em estrelas de nêutrons.
A superfluidez da onda S, que domina o ambiente relativamente mais domesticado do núcleo externo, suporta a formação de vórtices quantizados inteiros (IQVs).
Em contraste, a superfluidez da onda p prevalecente nas condições extremas do núcleo interno favorece os vórtices semi-quantizados (HQVs).
Como resultado, cada IQV no núcleo externo da onda S se divide em dois HQVs ao entrar no núcleo interno da onda P, formando uma estrutura superfluida semelhante a um cacto conhecida como boojum.
À medida que mais HQVs se separam dos IQVs e se conectam através de boojums, a dinâmica dos aglomerados de vórtices torna-se cada vez mais complexa, tal como os braços dos cactos brotam e entrelaçam-se com ramos vizinhos, criando padrões intrincados.
A equipe de pesquisa executou simulações e descobriu que o expoente para o comportamento da lei de potência das energias de falha em seu modelo (0,8u00bu200b10,2) correspondia estreitamente aos dados observados (0,88u00b10,03).
Isto indica que a estrutura proposta reflete com precisão as falhas das estrelas de nêutrons do mundo real.
Nosso argumento, embora simples, é muito poderoso.
Mesmo que não possamos observar diretamente o superfluido da onda p em seu interior, a consequência lógica de sua existência é o comportamento da lei de potência dos tamanhos dos clusters obtidos nas simulações.
Traduzir isso em uma distribuição de lei de potência correspondente para energias de falha mostrou que ela corresponde às observações”, disse o coautor Shigehiro Yasui, pesquisador de pós-doutorado no WPI-SKCM2 e professor associado na Universidade Nishogakusha.
Uma estrela de nêutrons é uma situação muito particular porque os três campos da astrofísica, da física nuclear e da física da matéria condensada se encontram em um ponto.
É muito difícil observar diretamente porque as estrelas de nêutrons existem longe de nós, portanto, precisamos fazer uma conexão profunda entre a estrutura interior e alguns dados de observação da estrela de nêutrons.
Publicado em 03/07/2024 09h52
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