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Le mystère du vortex quantique : dévoiler les racines tortueuses des impulsions déroutantes des étoiles à neutrons

SciTechDaily

Des chercheurs ont établi un lien entre les impulsions périodiques des étoiles à neutrons et les perturbations internes influencées par les tourbillons superfluides. Un nouveau modèle suggère que ces perturbations suivent un modèle de loi de puissance observé dans divers phénomènes naturels. Crédit : Issues.fr.com

Une étude récente a dévoilé les origines des mystérieux « battements de cœur » observés dans les étoiles à neutrons, les reliant à des perturbations causées par la dynamique des vortex superfluides.

Les chercheurs ont découvert que ces problèmes suivent une distribution de loi de puissance similaire à celle d’autres systèmes complexes et ont développé un modèle basé sur des réseaux de vortex quantiques qui s’aligne sur les données observées sans réglage supplémentaire.

À la découverte des battements de cœur des étoiles à neutrons

Le clignotement irrégulier des étoiles dans la série Netflix « Le problème à 3 corps » pourrait relever de la science-fiction. Cependant, une nouvelle étude a déchiffré les scintillements erratiques des étoiles à neutrons, révélant l'origine tordue des mystérieux « battements de cœur » de ces étoiles mortes.

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

Parfois, cependant, leur mécanisme d'horlogerie précision Le temps de propagation des impulsions est perturbé par des impulsions qui arrivent inexplicablement plus tôt, ce qui signale un pépin ou une accélération soudaine de la rotation des étoiles à neutrons. Bien que leurs causes exactes restent obscures, on a observé que les énergies des pépins suivent la loi de puissance (également connue sous le nom de loi d'échelle) – une relation mathématique qui se reflète dans de nombreux systèmes complexes, allant des inégalités de richesse aux modèles de fréquence et de magnitude des tremblements de terre. Tout comme les petits tremblements de terre se produisent plus fréquemment que les plus grands, les pépins de faible énergie sont plus courants que ceux de haute énergie dans les étoiles à neutrons.

Réseau de vortex quantique

L'image montre le modèle de réseau de vortex quantique proposé par les auteurs de l'étude. Le noyau interne de l'onde p (rose) entoure le noyau externe de l'onde s (gris). Crédit : Muneto Nitta et Shigehiro Yasui

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

Les tourbillons superfluides prennent une nouvelle tournure

« Plus d'un demi-siècle s'est écoulé depuis la découverte des étoiles à neutrons, mais le mécanisme à l'origine des pépins 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 nommé et co-chercheur principal à l'Institut international pour la durabilité avec la métamatière chirale nouée de l'université d'Hiroshima (WPI-SKCM).2).

Configuration 3D du réseau de vortex quantique

Configuration 3D du réseau de vortex quantique. Crédit : Muneto Nitta et Shigehiro Yasui

Des études antérieures ont proposé deux théories principales pour expliquer ces anomalies : les tremblements d'étoiles et les avalanches de tourbillons superfluides. Si les tremblements d'étoiles, qui se comportent comme des tremblements de terre, pourraient expliquer le modèle de loi de puissance observé, ils ne pourraient pas expliquer tous les types d'anomalies. Les tourbillons superfluides sont l'explication la plus largement invoquée.

« Dans le scénario standard, les chercheurs considèrent qu’une avalanche de tourbillons non épinglés 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.

Informations clés sur la dynamique des étoiles à neutrons

« S’il n’y avait pas d’accrochage, cela signifierait que le superfluide libérerait les tourbillons un par un, ce qui permettrait un ajustement en douceur de la vitesse de rotation. Il n’y aurait pas d’avalanches ni de problèmes », a déclaré Nitta.

« Mais dans notre cas, nous n'avions pas besoin de mécanisme de fixation ou de paramètres supplémentaires. Nous devions simplement 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 groupe, ils ne peuvent donc pas être libérés un par un. Au lieu de cela, les étoile à neutrons doit libérer un grand nombre de tourbillons simultanément. C'est le point clé de notre modèle.

Vue de dessus Configuration 3D du réseau de vortex quantique

Vue de dessus d'un réseau de vortex quantique. Crédit : Muneto Nitta et Shigehiro Yasui

Alors que le noyau superfluide d'une étoile à neutrons tourne à un rythme constant, sa composante ordinaire diminue sa vitesse de rotation en libérant ondes gravitationnelles et des impulsions électromagnétiques. Au fil du temps, leur différence de vitesse s'accroît, de sorte que l'étoile expulse des tourbillons superfluides, qui transportent une fraction du moment angulaire, pour retrouver son équilibre. Cependant, lorsque les tourbillons superfluides s'entremêlent, ils en entraînent d'autres avec eux, ce qui explique les problèmes.

Clusters tordus et alignement des données du monde réel

Pour expliquer comment les tourbillons 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 tourbillons quantifiés en nombres entiers (IQV). En revanche, la superfluidité des ondes P qui prévaut dans les conditions extrêmes du noyau interne favorise les tourbillons demi-quantifiés (HQV). En conséquence, chaque IQV du noyau externe à ondes S se divise en deux HQV en entrant dans le noyau interne à ondes P, formant une structure superfluide semblable à un cactus connue sous le nom de boojum. À mesure que davantage 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 des bras de cactus qui poussent et s'entrelacent avec des branches voisines, créant des motifs complexes.

Les chercheurs ont effectué des simulations et ont découvert que l'exposant du comportement en loi de puissance des énergies de pépins dans leur modèle (0,8±0,2) correspondait étroitement aux données observées (0,88±0,03). Cela indique que leur cadre proposé reflète avec précision les pépins d'étoiles à neutrons du monde réel.

« Notre argument, bien que simple, est très puissant. Même si nous ne pouvons pas observer directement le superfluide à ondes p à l’intérieur, la conséquence logique de son existence est le comportement en loi de puissance des tailles de cluster obtenues à partir de simulations. La traduction de cela en une distribution de loi de puissance correspondante pour les énergies de pépin a montré qu’elle correspond aux observations », a déclaré le co-auteur Shigehiro Yasui, chercheur postdoctoral au WPI-SKCM2 et professeur associé à l'Université Nishogakusha.

Yasui et Nitta sont également affiliés au département de physique et au centre de recherche et d'éducation en sciences naturelles de l'université Keio. Giacomo Marmorini, du département de physique de l'université Nihon et de l'université Aoyama Gakuin, a également collaboré à l'étude.

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