Sisältääkö neutronitähti aineen uuden olomuodon?

Vuorinen on ottanut aiheeseensa täysin päinvastaisen lähtesymistavan kuin ydinfysiikassa on tapana: äärimmäisen korkeista tiheyksistä käsin. Työssään hän käyttääkin perinteisen ydinfysiikan koneiston sijaan teoreettisen hiukkasfysiikan menetelmiä.

"Kun hiukkasfysiikan työkalut yhdistää uusimpiin neutronitähtien säteiden ja massojen samanaikaisiin mittauksiin, on mahdollista määrittää neutronitähtiaineen tilanyhtälö ennennäkemättömän tarkasti", Vuorinen sanoo.

Kyse on neutronitähtiaineen termodynaamisista ominaisuuksista, erityisesti paineen ja energiatiheyden välisestä suhteesta.

"Tilanyhtälön avulla on mahdollista tutkia, sisältävätkö tähdet tiheissä ytimissään aivan uutta aineen olomuotoa, jota kutsutaan värivankeudesta vapautuneeksi kvarkkiaineeksi. Sen selvittäminen on neutronitähtitutkimuksen – ja myös oman projektini – merkittävin päämäärä."

Neutronitähtiaine on uskomattoman tiheää: koko ihmiskunta sokeripalan sisällä

Neutronitähtien olemassaolo ennustettiin yli 80 vuotta sitten, ja ensimmäiset näistä todella poikkeuksellisista astrofysikaalisista kohteista havaittiin 1960-luvun lopulla.

"Läpimitaltaan parinkymmenen kilometrin kokoinen tähti voi painaa kahden auringon massan verran, mikä vastaa tiheydeltään sitä, että koko ihmiskunnan yhteenlaskettu massa puristettaisiin noin yhden sokeripalan kokoluokkaan", Vuorinen kuvaa.

Näissä olosuhteissa edes atomit eivät säily ehjinä, vaan neutronitähteä voi yksinkertaistetusti ajatella painovoiman yhteen sitomana valtavan suurena atomiytimenä. Tällaisen aineen ominaisuudet ovat kuitenkin äärimmäisen vaikeita määrittää. 

Uusi tulokulma neutronitähtien ongelmaan saatiin hiljattain, kun kansainväliset LIGO- ja Virgo-tutkimusryhmät havaitsivat gravitaatioaaltosignaalin kaukaisesta kahden massiivisen mustan aukon yhteensulautumisprosessista.

Tutkijat arvelevat, että jos vastaavia mittauksia pystytään tekemään kahden toisiinsa sulautuvan neutronitähden tai neutronitähden ja mustan aukon systeemistä, neutronitähtien sisältämästä aineesta saadaan valtava määrä informaatiota.

Jotta tulevaa gravitaatioaaltodataa pystytään hyödyntämään, se pitää kuitenkin osata myös selittää.

Alkuvuoden 2016 aikana Aleksi Vuorinen onnistui yhteistyökumppaninsa Aleksi Kurkelan kanssa laskemaan ensimmäisen tarkan ennusteen tiheän kvarkkiaineen käytökselle neutronitähtitörmäyksen kaltaisissa äärimmäisissä olosuhteissa. Uutta näissä niin sanotuissa häiriöteoriaa hyödyntävissä tuloksissa oli se, että tutkijat määrittivät kvarkkiaineen käytöksen sekä tiheässä että kuumassa systeemissä, kun aiemmat vastaavat laskut olivat olettaneet systeemin lämpötilan häviävän pieneksi.

"Lämpötilakorjausten huomioiminen on äärimmäisen tärkeää, sillä neutronitähtien yhteensulautumisprosessissa lämpötilat voivat nousta aina noin biljoonaan eli 1.000.000.000.000 Kelvin-asteeseen."

Kurkelan ja Vuorisen tulokset julkaistiin Physical Review Letters –julkaisussa kesällä 2016. Ne mahdollistavat neutronitähtien yhteensulautumisprosessin simuloimisen myös, jos törmäävät tähdet sisältävät kvarkkiainetta ytimissään.

ERC-projektissaan Vuorinen jatkaa häiriöteoreettisia laskujaan pyrkien määrittämään kvarkkiaineen tilanyhtälön entistä tarkemmin. Odottaa siis voi, että lähivuosina selviää, kuinka eksoottisia aineen olomuotoja neutronitähdet pitävät sisällään.

Uutinen perustuu Helsingin yliopiston lähettämään tiedotteeseen.