Gwiazdy neutronowe to niezwykle fascynujące obiekty powstałe w wyniku wybuchu supernowej. Ich gęstość można porównać do gęstości szczytu Mount Everestu ściśniętego do rozmiarów butelki. Stanowią przedmiot licznych badań astronomicznych, podczas których naukowcy wyznaczają ich masę oraz oszacowują promień wynoszący około 10 kilometrów. Pomimo niewielkich rozmiarów (jak na skalę astronomiczną) badaczom udaje się mierzyć ich właściwości, takie jak temperatura powierzchni czy okres obrotu, który zazwyczaj wynosi mniej niż jedną sekundę. Obserwacje sugerują, że część materii, z której zbudowane są te gwiazdy, wykazuje niezwykłą cechę – jest nadciekła, co oznacza, że może płynąć bez oporów ruchu.
Obecny stan wiedzy pozwala na określenie struktury wewnętrznej gwiazdy neutronowej. W jej wnętrzu wyróżnia się kolejno (licząc od środka): jednorodne jądro gwiazdy, skorupę wewnętrzną oraz skorupę zewnętrzną. Skorupa zewnętrzna ma strukturę krystaliczną, natomiast skorupa wewnętrzna składa się z kryształu zanurzonego w płynie nadciekłych neutronów. Aby przewidzieć zachowanie całej gwiazdy, konieczne jest dokładne poznanie właściwości materiału, z którego jest zbudowana. W przypadku „ziemskich” materiałów badania ich właściwości bardzo często wymagają przeprowadzenia odpowiednich eksperymentów. Jednak dla materii jądrowej doświadczenia są ograniczone do badania bardzo gorącej materii, na przykład w laboratoriach takich jak CERN. Alternatywnie można badać zimne „kropelki” materii jądrowej, czyli zwykłe jądra atomowe. Niestety oba podejścia nie dostarczają pełnych informacji potrzebnych do opisania materii wewnątrz gwiazd neutronowych.
Wizualizacja mikroskopowego fragmentu skorupy wewnętrznej gwiazdy neutronowej. Czerwone sfery obrazują sieć krystalicznej jąder atomowych, natomiast niebieskim kolorem zaznaczono pierścienie wirowe, które tworzą się w nadciekłym płynie neutronów.
Jednym z rozwiązań tego problemu jest przeprowadzanie precyzyjnych symulacji numerycznych. Modelowanie środowiska skorupy wewnętrznej gwiazdy neutronowej jest szczególnie wymagające ze względu na jednoczesne działanie sił elektrostatycznych i jądrowych, a także współistnienie jąder atomowych i nadciekłych neutronów. Aby poprawnie modelować takie układy, konieczne jest uwzględnienie efektów kwantowych. W odpowiedzi na te wyzwania na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej opracowano otwarte oprogramowanie WBSk, które umożliwia symulowanie dynamiki dużej liczby cząstek (kilkunastu tysięcy), uwzględniając wspomniane wcześniej efekty fizyczne.
Jednym ze sposobów uproszczenia opisu materii jądrowej w skorupie wewnętrznej gwiazdy neutronowej jest określenie masy efektywnej jądra atomowego oddziałującego z neutronami. Można to zrozumieć na podstawie analogii: wyobraźmy sobie kulkę zanurzoną w wodzie. Gdy próbujemy ją poruszyć, wydaje się cięższa, ponieważ cząsteczki wody oddziałują z kulką i wpływają na jej ruch. Zamiast szczegółowo analizować te interakcje, wygodniej jest określić tzw. masę efektywną kulki. Podobnie w przypadku jądra atomowego w skorupie wewnętrznej gwiazdy neutronowej – wyznaczenie masy efektywnej jąder upraszcza opis wielu zjawisk fizycznych. Dzięki pakietowi WBSk udało się precyzyjnie wyznaczyć ten parametr oraz określić, jak zmienia się on wraz z głębokością w gwieździe neutronowej. Użyty model teoretyczny zapewnił bardzo wysoką precyzję obliczeń.
Pełnoskalowe symulacje przeprowadzone z wykorzystaniem setek kart graficznych na infrastrukturze LUMI – największym superkomputerze w Europie – pozwoliły prześledzić, w jaki sposób energia jądra poruszającego się w materii neutronowej jest przekazywana otoczeniu. Odkryliśmy, że w odpowiednich warunkach mogą tworzyć się pierścienie wirowe o kwantowej naturze (zobacz film). Mikroskopowe mechanizmy ich powstawania są kluczowe dla zrozumienia dynamiki szybko wirujących, nadciekłych gwiazd neutronowych. Wiry te odgrywają fundamentalną rolę w opisie takich obiektów i przybliżają nas do zrozumienia ich niezwykłej natury.
Autor dziękuje za wsparcie Narodowego Centrum Nauki grant nr 2021/40/C/ST2/00072: „Wpływ nadciekłości na dynamikę niejednorodnych struktur w gwieździe neutronowej”. Dziękujemy polskiej infrastrukturze obliczeń wysokiej wydajności PLGrid za przyznanie temu projektowi dostępu do superkomputera LUMI, będącego własnością EuroHPC Joint Undertaking, udostępnianego przez CSC (Finlandia) oraz konsorcjum LUMI w ramach grantu nr PLL/2022/03/016433.
Korekta – Zofia Lamęcka
