Загадка пульсаров раскрыта? Физики заглянули внутрь нейтронных звезд

В небольшой лаборатории, затерянной среди австрийских Альп, ученым под руководством физика Франчески Фэрлайно удалось увидеть настоящее чудо - квантовые вихри в сверхтвердом сверхтекучем веществе, известном как сверхтвердое состояние материи.

Три года специалисты из Инсбрукского университета трудились, чтобы получить эти удивительные снимки. Каждую пятницу вечером команда собиралась в ближайшем пабе, чтобы обсудить план работы над экспериментом. Многие говорили, что это невозможно, но Фэрлайно была убеждена в успехе своей задумки. И она оказалась права - результаты опубликованы сегодня в научном журнале Nature .

Сверхтвердое состояние материи представляет собой парадоксальную фазу, которая одновременно является и самым твердым из твердых тел, и самым текучим из жидкостей. Ученые теоретически предсказывали существование этого явления, но экспериментальное подтверждение найти было крайне сложно.

После нескольких неудачных попыток в 2004 и 2017 годах, в 2019 году команде из Штутгарта, Флоренции и Инсбрука удалось получить первые признаки сверхтвердого состояния в одномерных системах. Газы диспрозия и эрбия, атомы которых обладают собственным магнитным моментом, при понижении температуры и плотности демонстрировали квантовые свойства сверхтекучести.

Чтобы наблюдать, как ведет себя сверхтвердое вещество при вращении, исследователи использовали магнитное поле, как своеобразную "ложку", помешивая внутренние магнитные поля атомов с частотой около 50 раз в секунду. Этого было достаточно, чтобы вызвать образование вихрей, но при этом не разрушить хрупкое квантовое состояние. Только вот зафиксировать процесс оказалось еще сложнее. На это ушло целых три года.

А затем ученые попытались применить предложенную в 2022 году физиком Алессио Речати идею: сначала сформировать вихри в сверхтвердом состоянии, а затем расплавить материал обратно в сверхтекучее, чтобы повысить контрастность изображения. Этот метод позволил четко различить структуру вихрей, которые образуются между плотными скоплениями атомов, образующими кристаллическую решетку.

Интерес к открытию подогревается и тем, что сверхтвердое состояние может оказаться ключом к разгадке тайны пульсаров - быстровращающихся нейтронных звезд. Астрономы подозревают, что во внутреннем слое нейтронных звезд, под твердой корой, существуют необычные структуры, напоминающие ядерную "пасту" - соединения сверхплотных нейтронов в причудливых формах.

Прошлой весной аспирант Эсекьель Субьета из Национального университета Ла-Платы наблюдал, как один из таких пульсаров, Вела, внезапно ускорил свое вращение на 2,4 миллиардные доли секунды. Этот феномен, известный как "глитч пульсара", давно поражает воображение астрономов, но его природа остается загадкой.

Фэрлайно заинтересовалась этим, когда услышала, как ее коллеги-астрономы обсуждают возможные свойства ядерной "пасты". Тогда ее команда смоделировала, что произойдет, если бы внутри вращающейся нейтронной звезды существовало сверхтвердое состояние. Как оказалось, столкновения квантовых вихрей действительно ускоряют вращение на короткое время. Может, в этом и заключается причина глитчей? Теперь же исследователи планируют детально исследовать, как они формируются, мигрируют и исчезают.

Астрономы, в свою очередь, надеются, что это позволит им использовать наблюдения за глитчами пульсаров в качестве нового “диагностического” инструмента. Пульсары являются одними из самых стабильных природных "часов" во Вселенной, и понимание механизмов, приводящих к их внезапному ускорению, прольет свет на внутреннее строение нейтронных звезд.

Сейчас группа ищет другие системы, в которых может существовать сверхтвердое состояние, и видит в этих открытиях отражение фундаментальной взаимосвязанности природы. "Физика универсальна, и мы познаем законы этой игры, - говорит Фэрлайно . - Как внутри нейтронных звезд, так и в наших земных лабораториях, под действием экстремальных условий материя принимает удивительные формы".