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
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Johanna PellinenViestintäpäällikkö
Puh:+358 43 8245 394johanna.p.pellinen@helsinki.fiKuvat
Linkit
Tietoja julkaisijasta
PL 3
00014 Helsingin yliopisto
02941 22622 (mediapalvelu) 02941 911 (vaihde) (vaihde)https://www.helsinki.fi/fi/yliopisto
Helsingin yliopisto on yli 40 000 opiskelijan ja työntekijän kansainvälinen yhteisö, joka tuottaa tieteen voimalla kestävää tulevaisuutta koko maailman parhaaksi. Kansainvälisissä yliopistovertailuissa Helsingin yliopisto sijoittuu maailman parhaan yhden prosentin joukkoon. Monitieteinen yliopisto toimii neljällä kampuksella Helsingissä sekä Lahden, Mikkelin ja Seinäjoen yliopistokeskuksissa. Lisäksi sillä on kuusi tutkimusasemaa eri puolilla Suomea ja yksi Keniassa. Yliopisto on perustettu vuonna 1640.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Helsingin yliopisto
Helsingin yliopisto oli hakijoiden ykköstoive yhteishaussa28.3.2024 11:38:03 EET | Tiedote
Hakijoita kandi- ja maisteriohjelmiin oli yli 31 000. Ensisijaisten hakijoiden määrän perusteella Helsingin yliopisto oli Suomen suosituin yliopisto. Tutut alat – oikeustiede, lääketiede ja psykologia – olivat jälleen Helsingin yliopiston suosituimpia hakukohteita.
Modernin ajan suurinta aurinkomyrskyä jäljitettiin Lapin puiden vuosirenkaista28.3.2024 09:34:22 EET | Tiedote
Helsingin yliopiston johtama tutkimusryhmä pystyi mittaamaan vuoden 1859 Carringtonin aurinkomyrskyn jälkeisen piikin Lapin puiden radiohiilipitoisuuksista. Jäljitys auttaa varautumaan vaarallisiin aurinkomyrskyihin.
KUTSU MEDIALLE 10.4; Mistä europarlamenttivaaleissa puhutaan, tutkijoiden ajankohtaisimmat asiat esillä27.3.2024 14:05:26 EET | Kutsu
Kesäkuun Euroopan parlamentin vaalit käydään entistä kireämmässä maailmanpoliittisessa tilanteessa. Mikä merkitys EU-vaaleilla on Euroopan ja Suomen suunnalle? Millaisessa poliittisessa tilanteessa EU-vaaleihin lähdetään? Entä millaisia valtakamppailuja Euroopan parlamentin sisällä käydään?
Tutkijat selvittivät, miten musiikki katoaa aivoista27.3.2024 12:00:00 EET | Tiedote
Sävelkuurolta ihmiseltä puuttuu kyky tunnistaa melodioita. Tuore tutkimus onnistui paikantamaan sävelkuurouden eli amusian todennäköisen alkuperän aivoissa. Ilmiön jäljille päästiin tutkimalla tapauksia, joissa aivoinfarkti oli aiheuttanut amusian.
Plastiikkakirurgian professori Virve Koljoselle J. V. Snellman -palkinto26.3.2024 18:00:00 EET | Tiedote
Helsingin yliopisto on myöntänyt J. V. Snellmanin nimeä kantavan tiedonjulkistamispalkinnon vuonna 2024 professori Virve Koljoselle. Koljonen viestii erikoisalastaan plastiikkakirurgiasta aktiivisesti ja yleistajuisesti sosiaalisessa mediassa ja on tavoittanut laajasti niin ammattilaisia kuin suurta yleisöä.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme