Mer kunskap om extrema tillstånd av materia

På senare år har en ny typ av supravätska, ultrakalla gaser av atomer, blivit föremål för forskarnas intresse. Dessa gaser är nedkylda till temperaturer på några hundratals nanokelvin – mycket nära den absoluta nollpunkten på -273,15 Celsius.

Dmitry Kobyakov visar att de klassiska hydrodynamiska processer som sker vanligtvis i atmosfären, havet och i andra storskaliga system, även kan observeras och kontrolleras i supravätskor.

– Supravätskan utgörs av två magnetiska tillstånd av rubidiumatomer som i vila tenderar att bilda två faser precis som vatten och olja. En pålagd magnetisk kraft skjuter supravätskorna mot varandra, och skapar överskott av potentiell energi. Detta överskott minimeras i sin tur genom att supravätskorna flödar mot mer energimässigt gynnsamma platser. En av konsekvenserna är att ett turbulent tillstånd uppstår, säger Kobyakov.

Vad som är ovanligt med denna kvant-turbulens är att det slumpmässiga virvlandet är jämnt fördelat i rummet, precis som turbulens i klassiska vätskor. Instabiliteten och turbulensen kan observeras i ultrakall ånga av rubidium, men teorin kan antas även gälla andra supravätskor.

Den andra delen av arbetet handlar om den höga densiteten i materian hos neutronstjärnor eller pulsarer. Neutronstjärnor är kollapsade stjärnor med en radie på omkring 12 kilometer och en massa motsvarande 1,5-2 solar. De består av obundna neutroner med en mix av elektroner och protoner. Neutronstjärnor kan ses som jättelika atomkärnor i yttre rymden som hålls ihop av gravitationen och den starka kärnkraften.

Fastän neutronstjärnans kärna är flytande, täcks stjärnan av en fast skorpa. Skorpan är bara ungefär en kilometer tjock och kopplad till stjärnans magnetosfär – vilket faktiskt utgör det vi kan se i våra teleskop. Den påverkar också de flesta av de signaler från pulsarer som kan observeras med hjälp av satellitbaserade röntgenteleskop, gammastrålningsteleskop, radioteleskop och i framtiden gravitationsvågdetektorer.

Kärnan har en rik struktur och Kobyakov har intresserat sig för den så kallade inre skorpan, vilken kännetecknas av en densitet från 1 till upp till 100 miljoner ton per kubikcentimeter. I den inre skorpan är materian ett kristalliserat Coulomb-plasma blandad med en supraflytande vätska av neutroner. Protonerna är ihopklumpade till kärnor med jämnt fördelade elektroner runtom som neutraliserar protonernas laddning, medan neutronerna delvis befinner sig inuti dessa kärnor (ungefär 100 neutroner per kärna) och delvis mellan kärnor, fria att röra sig genom den inre skorpan. Kobyakov visar att dessa obundna neutroner i det kristalliserade plasmat i flera avseenden beter sig på samma sätt som en komponent i en legering av metaller gör.

Kobyakov har numeriskt beräknat ljudhastigheten i den inre skorpan av neutronstjärnor genom att använda data från kärnfysikteori baserad på experiment i laboratorium.

Genom sina beräkningar på allt mindre och mindre skalor har han kunnat dra den viktiga slutsatsen att bilden av materian i neutronstjärnors skorpa inte är så välförstådd som man har trott sedan 1970-talet. Nu behöver man revidera förståelsen av den inre skorpans mikroskopiska struktur, som man tidigare trodde kunde betraktas som ett en-komponentsplasma i jämvikt vilket bildar ett BCC-gitter. Kobyakovs beräkningar visar att en sådan struktur skulle vara instabil med avseende på densitetsvågor.

– Detta kan få konsekvenser för tolkningen av observationer från satellitbaserade röntgenteleskop, och också framtida observationer av gravitationsvågor, säger Dmitry Kobyakov.

Avhandlingen är publicerad elektroniskt