Netflix的《三体问题》中恒星闪烁的代码可能是科幻小说，但通过破译中子星的不稳定闪烁，一项新研究揭示了这些死亡恒星神秘“心跳”的扭曲起源。

研究揭示死亡恒星神秘心跳的扭曲起源

1967年，中子星(超新星爆炸后留下的超高密度大质量恒星残骸)首次被发现，天文学家认为它们发出的奇特周期性脉冲可能是来自外星文明的信号。虽然我们现在知道这些“心跳”来自恒星尸体的辐射束，而不是外星生命，但它们的精确度使它们成为研究天体物理现象(如天体的旋转速度和内部动力学)的绝佳宇宙时钟。

然而，有时，它们的时钟精度会因莫名其妙提前到达的脉冲而受到干扰，这表明中子星的自转出现了故障或突然加速。虽然其确切原因尚不清楚，但已观察到故障能量遵循幂律(也称为缩放定律)——一种数学关系，反映在许多复杂系统中，从贫富不均到地震的频率-震级模式。正如小地震比大地震更频繁地发生一样，中子星中低能量故障比高能量故障更常见。

一组物理学家重新分析了533组最新观测快速旋转中子星(称为脉冲星)的数据，发现他们提出的量子涡旋网络与故障能量幂律行为的计算自然一致，无需额外调整，这与过去的模型不同。他们的研究结果发表在《科学报告》杂志上。

“自中子星被发现以来，已经过去了半个多世纪，但故障发生的机制仍不清楚。因此，我们提出了一个模型来解释这种现象，”这项研究的通讯作者、广岛大学国际可持续发展与打结手性超物质研究所(WPI-SKCM2)的特聘教授兼联合首席研究员MunetoNitta说道。

超流体涡旋出现新变化

先前的研究提出了两种主要理论来解释这些故障：星震和超流体涡旋雪崩。虽然星震(其行为类似于地震)可能解释观察到的幂律模式，但它们无法解释所有类型的故障。超流体涡旋是广泛引用的解释。

Nitta表示：“在标准情况下，研究人员认为，大量不固定涡旋的爆发可以解释故障的起源。”

然而，对于什么可能引发灾难性的涡流雪崩，人们还没有达成共识。

“如果没有钉扎，就意味着超流体会逐个释放涡流，从而实现旋转速度的平稳调整。不会发生雪崩和故障，”Nitta说。

“但在我们的案例中，我们不需要任何钉扎机制或附加参数。我们只需要考虑p波和s波超流体的结构。在这种结构中，每个簇中的所有涡旋都相互连接，因此它们不能一个接一个地释放。相反，中子星必须同时释放大量涡旋。这是我们模型的关键点。”

中子星的超流体核心以恒定速度旋转，而其普通部分则通过释放引力波和电磁脉冲来降低其旋转速度。随着时间的推移，它们的速度差异越来越大，因此恒星会排出超流体涡旋(这些涡旋携带一小部分角动量)以恢复平衡。然而，当超流体涡旋纠缠在一起时，它们会拖拽其他涡旋，这解释了故障的原因。

为了解释涡旋如何形成扭曲的星团，研究人员提出了中子星中两种超流体的存在。S波超流体主导着外核相对温和的环境，支持整数量化涡旋(IQV)的形成。相比之下，内核极端条件下盛行的p波超流体有​​利于半量化涡旋(HQV)。

因此，s波外核中的每个IQV在进入p波内核时会分裂成两个HQV，形成一种类似仙人掌的超流体结构，称为boojum。随着越来越多的HQV从IQV中分离出来并通过boojum连接起来，涡旋群的动态变得越来越复杂，就像仙人掌的手臂发芽并与邻近的树枝交织在一起，形成复杂的图案。

研究人员进行了模拟，发现其模型中故障能量的幂律行为指数(0.8±0.2)与观测数据(0.88±0.03)非常接近。这表明他们提出的框架准确反映了现实世界中的中子星故障。

“我们的论据虽然简单，但非常有力。尽管我们无法直接观察到内部的p波超流体，但其存在的逻辑结果是从模拟中获得的簇大小的幂律行为。将其转化为故障能量的相应幂律分布表明它与观察结果相符，”合著者ShigehiroYasui说道，他是WPI-SKCM2的博士后研究员和二松学舍大学的副教授。

“中子星是一种非常特殊的情况，因为天体物理学、核物理学和凝聚态物理学这三个领域在一点上交汇。由于中子星距离我们很远，因此很难直接观察，因此，我们需要在内部结构和来自中子星的一些观测数据之间建立深层联系。”

Yasui和Nitta也隶属于庆应义塾大学物理系和自然科学研究与教育中心。这项研究的另一位合作者是来自日本大学和青山学院大学物理系的GiacomoMarmorini。