Пульсары ускоряются из-за сверхтекучего ядра

Пульсары, как известно, считаются самыми точными космическими часами. Но иногда эти необычные "часы" дают сбой. Происходит случайный "глюк", и внезапное увеличение частоты вращения нарушает стабильную регулярность импульсов, посылаемых звездой.

Новое исследование процессов сбоя в пульсарах, проведенное международной группой ученых, предполагает, что этот непонятный эффект может быть вызван сверхтекучим веществом в ядре пульсаров. В своей работе исследователи использовали данные радио и рентгеновского диапазонов для определения массы пульсаров и успешно объясняют "глюки", которые были зарегистрированы за 45 лет наблюдений.

Пульсары – это сильно намагниченные, быстро вращающиеся нейтронные звезды, вырабатывающие регулярные импульсы в широком спектре электромагнитных волн. Очень маленькие и чрезвычайно плотные, пульсары рождаются при коллапсе и последующем сверхновом взрыве крупных звёзд. Обычно радиус пульсара составляет всего 20-25 км, а их масса больше массы Солнца. Они в основном состоят из так называемого нейтронного вещества, плотность которого больше, чем плотность атомного ядра.

Периоды вращения наблюдаемых пульсаров лежат в диапазоне от 1,4 мс и более 1 с, и они, как правило, чрезвычайно стабильны. И действительно, большинство пульсаров по точности могут конкурировать с атомными часами. Также известно, что частота вращения пульсаров со временем уменьшается, поскольку электромагнитное излучение уносит их энергию. Но у многих молодых пульсаров это длительное замедление иногда прерывается внезапным увеличением частоты вращения. После ускорения, которое может произойти менее чем за одну минуту, пульсар постепенно возвращается  к своей обычной скорости, но это может занять примерно год. Так же, как скорости вращения могут варьироваться от пульсара к пульсару, величины внезапного ускорения также могут отличаться у разных пульсаров.

Согласно нашему нынешнему пониманию динамики пульсаров, сбои происходят из-за некоторого взаимодействия между сверхтекучим и обычным  веществом в звезде. Предполагается, что пульсар состоит из трех разных слоев: внешней коры, внутренней коры и ядра. В то время как ядро представляет собой жидкость из свободных, внутренняя кора содержит богатые нейтронами атомные ядра, плавающие в море свободных нейтронов, которые, как ожидается, находятся в состоянии сверхтекучести. 

В то время как вся остальная часть пульсара замедляется, сверхтекучее вещество этого не делает, а действует как необычный аккумулятор углового момента. Предыдущие теоретические модели основывались на предположении, что когда разность скоростей между сверхтекучей и остальной частью пульсара достигает критического (в настоящее время неизвестного) значения, сверхтекучее вещество передает часть своего углового момента к нормальному веществу, сотрясая таким образом пульсар и увеличивая скорость его вращения. Однако более поздние исследования показали, что в этой теории имеется значительная неопределенность, так как количества сверхтекучего вещества в коре недостаточно для создания "глюка", ее потребовалось бы намного больше.

Используя компьютерные модели, Уинн Хо из Саутгемптонского университета (Великобритания) совместно с коллегами из Чили и Нидерландов более подробно рассмотрел сверхтекучее вещество в пульсарах и разработал модель, в которой "глюки" могут получить необходимый импульс, если к процессу подключается сверхтекучее ядро пульсара.

– Мы использовали лучшие современные модели сверхтекучести и пульсаров, основанные на экспериментах и расчетах  ядерной физики, чтобы вычислить, насколько зависят сила "глюков" от возраста пульсара,– объясняет Хо.–  Возраст очень важен, так как количество сверхтекучего вещества в пульсаре зависит от его температуры. С возрастом пульсар остывает, и сверхтекучего материала в нем становится больше.

Хо говорит, что хотя "глюки" прежде всего замечены в радиодиапазоне, они также неожиданно появляются и в рентгеновских данных, по которым можно определить температуру пульсара. Сравнивая наблюдаемую температуру и величину "глюка", исследователи могут измерить массу пульсара.

– Это наиболее интересная часть наших исследований, потому что это позволяет нам измерять массу одиночных пульсаров,– говорит Хо,– Иными словами, мы можем измерять массу методами ядерной физики не прибегая к гравитации. Это чрезвычайно полезно, поскольку большинство пульсаров – это изолированные звезды, которые не находятся в двойных системах. Раньше не было способа измерить массы одиночных пульсаров.

В своей последней работе исследователи изучили "глюки" в девяти пульсарах, но в ближайшие месяцы они намерены в рамках новой модели исследовать больше пульсаров. Хо и его коллеги надеются, что их исследование может вдохновить новым теоретическим работам в области сверхтекучести и способствует укреплению связей между астрофизиками и физиками-ядерщиками. 

Источник