Suomalaisryhmä: lisää näyttöä neutronitähtien kvarkkiaineytimistä

Raskaiden vanhojen tähtien räjähdyksissä syntyvät äärimmäisen kompaktit neutronitähdet sisältävät tiheintä ainetta koko maailmankaikkeudessamme. Niiden ytimissä aineen tiheys nousee moninkertaiseksi atomiytimien tiheyteen verrattuna, mikä saattaa riittää kokonaan uuden aineen olomuodon muodostamiseen. Tässä ns. kvarkkiaineessa edes neutroneja ja protoneja ei olisi enää olemassa, vaan se muodostuisi värivankeudestaan vapautuneista alkeishiukkasista, kvarkeista ja gluoneista.

Vajaat kaksi vuotta sitten ilmestyneessä Nature Physics -julkaisussaan lähes kokonaan suomalainen tutkijaryhmä – Eemeli Annala ja Aleksi Vuorinen Helsingin yliopistosta, Tyler Gorda Darmstadtin teknillisestä korkeakoulusta, Aleksi Kurkela Stavangerin yliopistosta ja Joonas Nättilä Columbian yliopistosta – esitti ensimmäistä kertaa todistusaineistoa sen puolesta, että kaikkein massiivisimpien neutronitähtien ytimet todella koostuvat kvarkkiaineesta. Tulos perustui neutronitähtiaineen tilanyhtälön, eli paineen ja energiatiheyden välisen relaation, mallinnukseen, jossa apuna käytettiin neutronitähtimittauksia.

Nyt sama ryhmä on löytänyt hypoteesille lisävahvistusta: kun aiempaan analyysiin lisättiin uusin neutronitähtiin liittyvä havaintodata, nähtiin, kuinka suuri osa niistä aiemmin vielä mahdollisista tilanyhtälöistä, jotka ennustavat kaikkien neutronitähtien koostuvan ydinaineesta, rajautuivat pois. Tässä työssä käytettiin kahta uudentyyppistä neutronitähtihavaintoa: NICER-kollaboraation keväällä 2021 julkaisemaa massiivisen neutronitähden sädemittausta sekä kahden neutronitähden törmäyksestä lähtöisin olevaa ja vuonna 2017 havaittuun GW170817-gravitaatioaaltosignaaliin liittyvää sähkömagneettista säteilyä.

Noin 1.7 sekuntia sen jälkeen, kun LIGO-havaintoasema mittasi gravitaatioaaltosignaalin GW170817-tapahtumassa, maapalloa kiertävä ja gammasädemittauksia tekevä FERMI-satelliitti havaitsi samasta avaruuden suunnasta tulleen voimakkaan gammasädepurkauksen. Tämä havainto on yleisesti tulkittu merkiksi törmäyskohteen romahtamisesta mustaksi aukoksi, mistä on mahdollista johtaa yläraja hyvin nopeasti pyörivän neutronitähden massalle käyttämällä hyväksi törmäykseen osallistuneiden tähtien massoja.

Uudet mittaukset on periaatteessa suoraviivaista liittää vuonna 2020 Nature Physicsissä julkaistun artikkelin analyysiin, joka pohjautui miljoonien tilanyhtälöiden generoimiseen ja niitä vastaavien neutronitähtikonfiguraatioiden määrittämiseen. Uutena komponenttina työssä vaadittiin maksimaalisen nopeasti pyörivien neutronitähtimallien rakentamista, mikä onnistui yhteistyössä kreikkalaistutkijoiden Evangelia Katerinin (Thessalonikin yliopisto) ja Vasileios Paschalidisin (Arizonan yliopisto) kanssa.

Analyysin lopputulos oli hyvin mielenkiintoinen: kaikki uusien havaintojen johdosta poisrajatut tilanyhtälöt kuuluivat siihen pieneen tilanyhtälöjoukkoon, joka ei ennusta kvarkkiaineytimiä edes kaikkein raskaimpien neutronitähtien sisälle. Lisäksi neutronitähtiaineen tilanyhtälön epävarmuudet pienenivät dramaattisesti, ja myös neutronitähtien mitattaville ominaisuuksille saatiin huomattavasti aiempaa tarkempia ennusteita. Jos GW170817-neutronitähtitörmäyksessä esiintyi juuri ennen mustan aukon syntyä ns. hypermassiivinen neutronitähti, ei pyörimättömän neutronitähden massa voi ylittää 2.19 auringon massaaa.

Uudet tulokset julkaistiin 25.3.2022 arvostetussa Physical Review X -lehdessä. Niille on lisäksi luvassa jatkoa vielä myöhemmin tänä vuonna, kun tutkimusryhmän parhaillaan käynnissä oleva Bayesilaiseen tilastolliseen päättelyyn perustuva tutkimus valmistuu.