Poznajemy wnętrze gwiazdy neutronowej dzięki naukowcom z PW

Badacze z Wydziału Fizyki PW (Zakład Fizyki Jądrowej) opublikowali artykuł w „Physical Review X”, w którym przedstawiają oprogramowanie modelujące nadciekłą materię jądrową gwiazd neutronowych, które uwzględnia efekty kwantowe.

– Jako przykład zastosowania wyznaczono masę jąder zanurzonych w nadciekłej cieczy neutronowej – wyjaśnia prof. Piotr Magierski. – Poruszające się jądro „ciągnie” za sobą część cieczy neutronowej i dzięki temu masa jądra jest większa niż w próżni. Przy większych prędkościach pojawia się lepkość wywołana m.in. generacją wirów kwantowych. Ilościowa analiza tych zjawisk jest kluczowa do zrozumienia własności skorupy gwiazd neutronowych. 

W ten sposób naukowcy wyznaczyli masę efektywną jądra, nabytą na skutek oddziaływań jąder z nadciekłą cieczą Fermiego, dzięki czemu można badać strukturę i dynamikę wnętrza tych gwiazd.

– Jedna z najgęstszych form materii we wszechświecie występuje w gwiazdach neutronowych – obrazuje dr Daniel Pęcak. – Aby osiągnąć podobną gęstość na Ziemi, musielibyśmy skompresować cały Pałac Kultury i Nauki do objętości porównywalnej z pojedynczym kryształkiem cukru. Wytworzenie takiej materii jądrowej w warunkach laboratoryjnych, w niskiej temperaturze, pozostaje poza zasięgiem naszych obecnych możliwości, co znacznie utrudnia badanie jej właściwości.

Nasz badacz podkreśla jednak, że mimo to materia ta budzi ogromne zainteresowanie, ponieważ jej niezwykłe właściwości mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia dynamiki gwiazd neutronowych, obserwowanych zjawisk astronomicznych oraz fundamentalnych aspektów fizyki. 

– Na przykład mikroskopowe cechy materii jądrowej decydują o tym, jak szybko gwiazda neutronowa stygnie lub jak zmienia się jej okres obrotu – tłumaczy dr Pęcak. – Co istotne, zarówno tempo stygnięcia, jak i okres obrotu można precyzyjnie mierzyć za pomocą obserwacji astronomicznych.

Wypełnienie luki

Ponieważ bezpośrednie prowadzenie doświadczeń na materii jądrowej jest niemożliwe, obliczenia numeryczne stają się niezbędne. Obecnie nie istnieje otwarte oprogramowanie dostępne dla naukowców, które uwzględniałoby kluczowe efekty kwantowe. Autorzy pracy wypełniają tę lukę, udostępniając narzędzie umożliwiające przeprowadzanie eksperymentów numerycznych dotyczących dynamiki wewnętrznej skorupy gwiazd neutronowych, z uwzględnieniem jej nadciekłości. 

Badacze stosują teorię funkcjonału gęstości, metodologię, która jest dobrze ugruntowana w wielu dziedzinach, takich jak chemia kwantowa i fizyka ciała stałego. Dzięki wykorzystaniu zaawansowanego podejścia matematycznego, metoda pozwala uchwycić zachowanie tysięcy wzajemnie oddziałujących cząstek, sprowadzając ich skomplikowane relacje do eleganckiej prostoty – jak gdyby były one całkowicie niezależne od siebie. Technika ta jest od lat rozwijana w Zakładzie Fizyki Jądrowej Wydziału Fizyki PW. Autorzy demonstrują jej skuteczność zajmując się problemem jądra silnie oddziałującego z nadciekłą cieczą Fermiego. W tym scenariuszu oddziaływania modyfikują efektywną masę jąder, podobnie jak to ma miejsce w przypadku elektronów w półprzewodnikach. Dokładna wiedza mikroskopowa dotycząca efektywnej masy może znacząco wpłynąć na globalne właściwości gwiazd neutronowych, takie jak własności transportowe oraz tempo chłodzenia. Obliczenia zostały wykonane w ramach grantu obliczeniowego LUMI, najpotężniejszego superkomputera w Europie.

W pakiecie WBSk naszych fizyków silnik numeryczny został oddzielony od opisu modelu, co pozwala na jego elastyczne dostosowanie do różnych specyficznych problemów badawczych. Brak założeń dotyczących geometrii sprawia, że narzędzie cechuje się wyjątkową uniwersalnością i wszechstronnością. Dzięki temu innowacyjnemu oprogramowaniu społeczność naukowa może zyskać nowe możliwości efektywnego badania wewnętrznej skorupy gwiazd neutronowych. 

Oprogramowanie umożliwia testowanie różnorodnych modeli mikroskopowych, a także pozwala lepiej zrozumieć mezoskopowe i makroskopowe właściwości gwiazd neutronowych, które można zweryfikować za pomocą obserwacji astronomicznych.

Artykuł fizyków z PW pt. „Time-Dependent Nuclear Energy-Density Functional Theory Toolkit for Neutron Star Crust: Dynamics of a Nucleus in a Neutron Superfluid”, opracowany we współpracy z belgijskim zespołem z Université Libre de Bruxelles, jest dostępny pod tym linkiem. 

Źródło: fizyka.pw.edu.pl