Cómo un vórtice de neutrones reúne un ramo de filamentos magnéticos ✛

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En las profundidades de una estrella de neutrones, donde la materia está comprimida hasta la densidad del núcleo atómico, los neutrones forman un líquido superfluido y los protones un superconductor. Un vórtice de neutrones es un vórtice cuantizado en el líquido superfluido, similar a un mini remolino que no puede detenerse. Un tubo de flujo protónico es un hilo cuantizado de flujo magnético, un tubo delgado a través del cual el campo magnético penetra en el superconductor. Antes, estos defectos se estudiaban por separado, pero ahora los científicos, por primera vez, los colocaron en una misma celda computacional y les permitieron interactuar.

Los autores construyeron un modelo bidimensional de Ginzburg-Landau, una descripción matemática de dos condensados acoplados, el de neutrones y el de protones. Minimizaron la energía libre numéricamente, fijando el número total de vórtices y tubos de flujo mediante condiciones de contorno cuasiperiódicas. Los cálculos en mallas con un paso de aproximadamente 5 puntos por unidad de longitud se realizaron con el optimizador Adam en PyTorch.

Los resultados mostraron que, con acoplamientos locales atractivos (parámetros α<0 o g<0), la superposición de un vórtice y un tubo de flujo es energéticamente favorable. La energía de enlace por unidad de longitud para parámetros típicos resultó ser del orden de 0.13 MeV/fm, una cantidad diminuta, pero a escala estelar se acumula. En una configuración con un vórtice y nueve tubos de flujo, se formó un «ramo»: de 6 a 9 tubos de flujo se agruparon alrededor del vórtice. En un ramo denso, los tubos de flujo individuales son indistinguibles en la amplitud del condensado o en el campo magnético, pero sus nueve singularidades de fase permanecen topológicamente independientes, como nueve tallos en un mismo ramo que aún se pueden contar.

Estas estructuras pueden influir en los procesos disipativos en las estrellas de neutrones, por ejemplo, en la fricción mutua entre los componentes superfluido y cargado. Comprender cómo los vórtices se enganchan a los tubos de flujo es importante para explicar los glitches, las aceleraciones repentinas en la rotación de los púlsares. Antes no estaba claro si los vórtices y los tubos de flujo podían formar estados ligados estables sin un arrastre de fases adicional. Ahora se ha demostrado que sí pueden, y su energía de enlace se conoce cuantitativamente. En el futuro, los científicos planean incluir el arrastre de fases y pasar a simulaciones tridimensionales para verificar la estabilidad de los ramos en volumen y relacionarlos con las observaciones.