Onko neutronitähtien ytimissä eksoottista kvarkkiainetta?

Millaisesta aineesta neutronitähdet, maailmankaikkeuden tiheimmät kohteet, koostuvat? Tätä kysymystä on lähestytty vuosikymmenten ajan niin teoreettisen ydinfysiikan ongelmana kuin pyrkimällä mittaamaan tähtien ulkoisia ominaisuksia kuten massaa ja sädettä. 

Uusi tulokulma ongelmaan saatiin hiljattain, kun kansainväliset LIGO- ja Virgo-tutkimusryhmät havaitsivat gravitaatioaaltosignaalin hyvin kaukaisesta kahden massiivisen mustan aukon yhteensulautumisprosessista. Nyt tutkijat arvelevat, että jos vastaavia mittauksia pystytään tekemään kahden toisiinsa sulautuvan neutronitähden tai neutronitähden ja mustan aukon systeemistä, neutronitähtien sisältämästä aineesta saadaan samalla valtava määrä informaatiota.

- Silloin on mahdollista myös selvittää, sisältävätkö nämä kohteet tiheintä mahdollista aineen olomuotoa, värivankeudestaan vapautunutta kvarkkiainetta, sanoo tutkija Aleksi Vuorinen Helsingin yliopistosta.

Tutkijat laskivat ensimmäisen tarkan häiriöteoreettisen ennusteen tiheän kvarkkiaineen käytökselle

Jotta tulevaa gravitaatioaaltodataa pystytään hyödyntämään, on olennaista, että neutronitähtien sisältämän aineen ominaisuudet ymmärretään myös teoreettisesti.

Tämä on vaikeaa, sillä tähtien sisältämän äärimmäisen tiiviin ydinaineen ominaisuudet on koodattu vahvojen vuorovaikutusten teoriaan, kvanttiväridynamiikkaan, jonka tarkka ratkaiseminen on osoittautunut liki mahdottomaksi. Tässä työssä tärkeimpiä työkaluja ovat perinteiset ydinfysiikan menetelmät, jotka toimivat matalilla tiheyksillä, sekä ns. häiriöteoria, jolla pystytään tutkimaan äärimmäisen tiheän kvarkkiaineen ominaisuuksia.

Tutkija Aleksi Vuorinen onnistui kuitenkin yhteistyökumppaninsa Aleksi Kurkelan (Hiukkasfysiikan tutkimuslaitos Cern ja Stavangerin yliopisto) kanssa vastikään laskemaan ensimmäisen tarkan häiriöteoreettisen ennusteen tiheän kvarkkiaineen käytökselle neutronitähtitörmäyksen kaltaisissa äärimmäisissä olosuhteissa.

Uutta työssä on se, että tutkijat pystyivät määrittämään kvarkkiaineen käytöksen paitsi tiheässä myös kuumassa systeemissä; aiemmat vastaavat laskut nimittäin olettivat systeemin lämpötilan häviävän pieneksi. Lämpötilakorjausten huomioiminen on kuitenkin äärimmäisen tärkeää, sillä neutronitähtien yhteensulautumisprosessissa lämpötilat voivat nousta aina noin biljoonaan eli 1.000.000.000.000 Kelvin-asteeseen.

Kurkelan ja Vuorisen tulokset, jotka julkaistiin Physical Review Letters -julkaisussa 22.7.2016, mahdollistavat neutronitähtien yhteensulautumisprosessin tarkan simuloimisen myös silloin, jos törmäävät tähdet sisältävät kvarkkiainetta ytimissään. Tulokset edustavat tästä syystä tärkeää askelta kohti sen selvittämistä, kuinka eksoottisia aineen olomuotoja neutronitähdet pitävät sisällään.

Physical Review Letters kuuluu fysiikan alan arvovaltaisimpiin julkaisuihin. Se keskittyy merkittäviin tutkimusuutisiin. Lehden toimitus nosti Kurkelan ja Vuorisen artikkelin Cool quark matter, http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.042501, poikkeuksellisten töiden joukkoon.

Kuvateksti: Taiteilijan näkemys kahden neutronitähden yhteensulautumisprosessista.

Kuvan copyright: NASA/Swift/Dana Berry

Lisätiedot: Aleksi Vuorinen, Helsingin yliopiston fysiikan laitos, 050 338 6725, aleksi.vuorinen@helsinki.fi

Ystävällisin terveisin
Minna Meriläinen-Tenhu, @MinnaMeriTenhu, minna.merilainen@helsinki.fi, 050 415 0316