Как нейтронный вихрь собирает букет из магнитных нитей ✛
В недрах нейтронной звезды, где вещество сжато до плотности атомного ядра, нейтроны образуют сверхтекучую жидкость, а протоны — сверхпроводник. Нейтронный вихрь — это квантованный вихрь в сверхтекучей жидкости, похожий на миниатюрный водоворот, который не может остановиться. Протонная флюкс-трубка — это квантованная нить магнитного потока, тонкая трубочка, сквозь которую магнитное поле проникает в сверхпроводник. Раньше эти дефекты изучали по отдельности, но теперь учёные впервые поместили их в одну вычислительную ячейку и позволили им взаимодействовать.
Авторы построили двумерную модель Гинзбурга–Ландау — математическое описание двух связанных конденсатов, нейтронного и протонного. Они минимизировали свободную энергию численно, задавая полное число вихрей и флюкс-трубок с помощью квазипериодических граничных условий. Расчёты на сетках с шагом примерно 5 точек на единицу длины проводились с помощью оптимизатора Adam в PyTorch.
Результаты показали, что при притягивающих локальных связях (параметры α<0 или g<0) перекрытие вихря и флюкс-трубки энергетически выгодно. Энергия связи на единицу длины для типичных параметров составила порядка 0.13 МэВ/фм — это крошечная величина, но в масштабах звезды она накапливается. В конфигурации с одним вихрем и девятью флюкс-трубками сформировался «букет»: от 6 до 9 флюкс-трубок собрались вокруг вихря. В плотном букете отдельные флюкс-трубки неразличимы по амплитуде конденсата или магнитному полю, но их девять фазовых сингулярностей остаются топологически независимыми — как девять стеблей в одном букете, которые всё ещё можно пересчитать.
Эти структуры могут влиять на диссипативные процессы в нейтронных звёздах, например, на взаимное трение между сверхтекучей и заряженной компонентами. Понимание того, как вихри цепляются за флюкс-трубки, важно для объяснения глитчей — внезапных ускорений вращения пульсаров. Раньше было неясно, могут ли вихри и флюкс-трубки образовывать устойчивые связанные состояния без дополнительного фазового увлечения. Теперь показано, что могут, и энергия их связи известна количественно. В будущем учёные планируют учесть фазовое увлечение и перейти к трёхмерным симуляциям, чтобы проверить устойчивость букетов в объёме и связать их с наблюдениями.
Плотный букет из девяти флюкс-трубок вокруг одного вихря создаёт магнитный поток, в несколько раз превышающий поток одиночной флюкс-трубки, хотя топологически это девять отдельных квантов потока. Расстояние между флюкс-трубками в кластере около 220 фм — это в тысячи раз меньше размера атома.