NEUTRONITÄHDET Suomalainen tutkimusryhmä löysi suurimpien olemassa olevien neutronitähtien ytimistä vahvoja viitteitä aineen kokonaan uudesta olomuodosta, kvarkkiaineesta. Tulos saatiin yhdistämällä hiukkas- ja ydinfysiikan tuloksia neutronitähtien törmäyksistä tehtyihin painovoima-aaltomittauksiin.
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 on julkaistu 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, apulaisprofessori Aleksi Vuorinen Helsingin yliopiston fysiikan osastolta kertoo.
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.
Juttuvinkki: Lennä Juri Gagarin – kunnes avaruuslentäjä ja lapsuuden sankari syöksyi maahan
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.
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.
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.
– 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.
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.
Lue myös: Revontuliharrastajien ja avaruustutkijoiden yhteinen löytö – dyynit ovat uusi revontuli-ilmiö
Kommentoi Facebookissa