Comment un vortex de neutrons rassemble un bouquet de filaments magnétiques ✛

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Au cœur d'une étoile à neutrons, où la matière est comprimée à la densité du noyau atomique, les neutrons forment un liquide superfluide et les protons un supraconducteur. Un vortex de neutrons est un vortex quantifié dans le superfluide, semblable à un minuscule tourbillon qui ne peut pas s'arrêter. Un tube de flux protonique est un filament quantifié de flux magnétique, un fin tube à travers lequel le champ magnétique pénètre dans le supraconducteur. Auparavant, ces défauts étaient étudiés séparément, mais désormais, pour la première fois, les scientifiques les ont placés dans une même cellule de calcul et leur ont permis d'interagir.

Les auteurs ont construit un modèle bidimensionnel de Ginzburg-Landau, une description mathématique de deux condensats couplés, neutronique et protonique. Ils ont minimisé l'énergie libre numériquement, en fixant le nombre total de vortex et de tubes de flux à l'aide de conditions aux limites quasi périodiques. Les calculs sur des grilles avec un pas d'environ 5 points par unité de longueur ont été effectués avec l'optimiseur Adam dans PyTorch.

Les résultats montrent qu'avec des couplages locaux attractifs (paramètres α<0 ou g<0), le chevauchement d'un vortex et d'un tube de flux est énergétiquement favorable. L'énergie de liaison par unité de longueur pour des paramètres typiques est de l'ordre de 0.13 MeV/fm, une valeur minuscule, mais qui s'accumule à l'échelle de l'étoile. Dans une configuration avec un vortex et neuf tubes de flux, un « bouquet » s'est formé : de 6 à 9 tubes de flux se sont rassemblés autour du vortex. Dans un bouquet dense, les tubes de flux individuels sont indiscernables en amplitude du condensat ou en champ magnétique, mais leurs neuf singularités de phase restent topologiquement indépendantes, comme neuf tiges dans un même bouquet que l'on peut encore compter.

Ces structures peuvent influencer les processus dissipatifs dans les étoiles à neutrons, par exemple le frottement mutuel entre les composantes superfluide et chargée. Comprendre comment les vortex s'accrochent aux tubes de flux est important pour expliquer les glitches, ces accélérations soudaines de la rotation des pulsars. On ne savait pas auparavant si les vortex et les tubes de flux pouvaient former des états liés stables sans entraînement de phase supplémentaire. On a maintenant montré que c'est possible, et leur énergie de liaison est connue quantitativement. À l'avenir, les scientifiques prévoient de prendre en compte l'entraînement de phase et de passer à des simulations tridimensionnelles pour vérifier la stabilité des bouquets en volume et les relier aux observations.