Suomalaistutkijat havaitsivat neutronitähtien sisältä kokonaan uudentyyppistä ainetta

Kaikki tavallinen havaitsemamme aine koostuu atomeista, joiden tiheää, protoneista ja neutroneista koostuvaa ydintä kiertävät kevyet, negatiivisesti varatut elektronit. Hyvin poikkeuksellisissa olosuhteissa, äärimmäisen tiheiden neutronitähtien sisällä, atomit kuitenkin romahtavat kasaan ydinaineeksi, jossa nukleonit - siis neutronit ja protonit - pakkautuvat vieri viereen muodostaen kuin yhden valtavan suuren atomiytimen.

Tähän saakka on ollut epäselvää, romahtaako aine massiivisimpien neutronitähtien ytimissä vieläkin eksoottisempaan olomuotoon: äärimmäisen tiheäksi kvarkkiaineeksi, jossa nukleoneja ei enää ole olemassa. Kyllä romahtaa, todetaan Helsingin yliopiston fysiikan osaston ja sen kansainvälisten kumppanien tutkimuksessa, joka julkaistiin tänään arvostetussa Nature Physics -lehdessä.

– Kvarkkiytimien olemassaolon varmistaminen on ollut neutronitähtien tutkimuksen kuumimpia avoimia kysymyksiä sen jälkeen, kun tämä mahdollisuus esitettiin ensi kertaa noin 40 vuotta sitten, kertoo apulaisprofessori Aleksi Vuorinen Helsingin yliopiston fysiikan osastolta ja Fysiikan tutkimuslaitokselta.

Olemassaolo hyvin todennäköistä

Kun eivät edes supertietokoneilla tehdyt simulaatiot auttaneet selvittämään mysteeriä ydin- ja kvarkkiaineen välisestä olomuodon muutoksesta, esitti Aleksi Vuorisen tutkimusryhmä kysymykseen uudentyyppistä lähestymistapaa. Ryhmä oivalsi, että yhdistämällä hiukkas- ja ydinfysiikan tuloksia astrofysikaalisiin mittauksiin oli mahdollista päätellä neutronitähden sisältämän aineen ominaisuuksia.

Ryhmään kuuluvat Vuorisen lisäksi tohtorikoulutettava Eemeli Annala samalta fysiikan osastolta sekä heidän kansainväliset kollegansa Tyler Gorda Virginian yliopistosta, Aleksi Kurkela Euroopan hiukkasfysiikan keskus CERN:stä ja Joonas Nättilä Columbian yliopistosta.

Tutkimuksen mukaan hyvin massiivisten neutronitähtien keskustasta löytyvän aineen ominaisuudet muistuttavat huomattavasti läheisemmin kvarkkiainetta kuin ydinainetta. Kvarkkiaineeksi identifioidun keskustan läpimitta voi olla laskelmien mukaan jopa yli puolet tähden koosta.

Vuorinen kuitenkin muistuttaa, että neutronitähtien täsmälliseen rakenteeseen liittyy yhä paljon epävarmuutta. Mitä tarkoittaa, että kvarkkiaine on löydetty nyt melkein varmasti?

– Kaikkien havaintojen jälkeenkin on teoriassa mahdollista, että kvarkkiaine puuttuisi massiivisimpienkin neutronitähtien keskustasta. Se vaatisi tiheältä ydinaineelta kuitenkin todella erikoista käytöstä, esimerkiksi äänen nopeuden aineessa tulisi yltää lähelle valonnopeutta, Vuorinen kuvaa.

Säde pääteltiin gravitaatioaalloista

Avainasemassa uusien tuloksien laskemisessa oli kaksi havaitsevan astrofysiikan merkittävää viimeaikaista tulosta: oli pystytty mittaamaan neutronitähtien törmäyksessä syntyneitä gravitaatio- eli painovoima-aaltoja sekä löydetty yli kahden auringon massaisia neutronitähtiä.

LIGO- ja Virgo-koeasemat havaitsivat syksyllä 2017 ensimmäistä kertaa neutronitähtien törmäyksissä syntyneitä gravitaatioaaltoja. Niistä on voitu päätellä yläraja niin sanotulle vuorovesideformabiliteetille, ja sitä myöten käytännössä myös toisiinsa törmänneiden neutronitähtien säteelle, jonka ylärajaksi saatiin noin 13 km.

Neutronitähtiä on löydetty jo useiden kymmenien vuosien ajan, mutta niiden massojen tarkka mittaaminen on tullut mahdolliseksi vasta 2000-luvulla. Suurin osa mitatuista tähdistä on noin 1-1.7 auringon massaisia ja vasta viimeisten 10 vuoden aikana on löytynyt pari noin 2 auringon massaista tähteä.

Yhä tarkempia havaintoja odotettavissa

Erityisesti painovoima-aaltomittauksista saadut rajoitukset neutronitähtien säteille pienensivät neutronitähtien sisältämän aineen ominaisuuksiin liittyviä epävarmuuksia huomattavasti ja tekivät mahdolliseksi suomalaisryhmän Nature Physics -lehdessä esittämän analyysin.

Analyysissä yhdistettiin uusia havaintoja viimeisimpiin teoreettisen hiukkas- ja ydinfysiikan tuloksiin. Näin pystyttiin johtamaan aiempaa tarkempi ennuste neutronitähtiaineen tilanyhtälölle, jolla tarkoitetaan sen paineen ja energiatiheyden välistä relaatiota. Tilanyhtälöllä on myös suhteellisuusteoriasta tuleva yhteys neutronitähtien mahdollisten säteiden ja massojen väliseen relaatioon.

Uusia neutronitähtien törmäyksiä on havaittu syksyn 2017 jälkeen useita, ja LIGO- sekä Virgo-koeasemista onkin nopeasti tullut keskeinen osa neutronitähtien tutkimusta. Juuri kokeellisen tiedon kertymisnopeus onkin avainasemassa nyt esitettyjen tulosten tarkentamisessa ja kvarkkiainehavainnon varmistamisessa, sillä tuloksiin liittyvä pieni epävarmuus häviää sitä mukaa kun uusia, tarkempia havaintoja tehdään.

– On syytä olettaa, että painovoima-aaltomittausten kulta-aika on vasta alussa ja tulevaisuudessa tullaan näkemään lukuisia nyt nähdyn kaltaisia harppauksia luonnon lainalaisuuksien ymmärtämisessä, Vuorinen iloitsee.

Viite: Eemeli Annala, Tyler Gorda, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä ja Aleksi Vuorinen, Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars, Nature Physics, June 1, 2020. DOI: 10.1038/s41567-020-0914-9 https://www.nature.com/articles/s41567-020-0914-9

Lisätietoa

Apulaisprofessori Aleksi Vuorinen, Helsingin yliopisto

050 338 6725

aleksi.vuorinen@helsinki.fi