Taiteilijan näkemys kahden neutronitähden yhteensulautumisprosessista. Kuva: NASA/Swift/Dana Berry

Gravitaatioaallot voivat paljastaa neutronitähtien eksoottisen kvarkkiaineen

Millaisesta aineesta neutronitähdet, maailmankaikkeuden tiheimmät kohteet, koostuvat? Tätä on pohdittu niin teoreettisesti ydinfysiikan ongelmana kuin koettamalla havaita tähtien ulkoisia ominaisuksia kuten massaa ja sädettä. Gravitaatioaallot voivat antaa nyt tähän uuden näkökulman.

Kansainväliset LIGO- ja Virgo-tutkimusryhmät ovat kertoneet alkuvuoden aikana jo kahden gravitaatioaaltosignaalin havaitsemisesta. Kummassakin tapauksessa kyse on ollut 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, voidaan neutronitähtien sisältämästä aineesta saada samalla valtava määrä informaatiota.

Jos ja kun näin tapahtuu, on tutkijoilla nyt apuna suomalaistutkijoiden tekemä mallinnus, joka onnistui määrittämään kvarkkiaineen käytöksen sekä tiheässä että kuumassa systeemissä.

Helsingin yliopiston tutkija Aleksi Vuorisen ja Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä sekä Stavangerin yliopistossa työskentelevän Aleksi Kurkelan tutkimus julkaistiin nyt heinäkuussa Physical Review Letters –julkaisussa; lehti nosti tutkimuksen jopa poikkeuksellisten töiden joukkoon.

Ensimmäisen tarkka häiriöteoreettinen ennuste 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.

Vuorinen ja Kurkela onnistuivat laskemaan ensimmäisen tarkan ns. häiriöteoreettisen ennusteen tiheän kvarkkiaineen käytökselle neutronitähtitörmäyksen kaltaisissa äärimmäisissä olosuhteissa.

Häiriöteoria on teoreettisen hiukkasfysiikan yleinen laskentamenetelmä, jolla määritellään erilaisia hiukkasten vuorovaikutuksia kvanttimekaniikan sekä suhteellisuusteorian mukaisesti.

Vuorisen mukaan on laskennallisesti mahdollista selvittää, sisältävätkö neutronitähdet kvarkkiainetta, eli aineen tiheintä mahdollista olomuotoa.

Uutta suomalaistutkijoiden työssä on se, että he 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 miljoonaan miljoonaan (1.000.000.000.000) asteeseen.

Kurkelan ja Vuorisen tulosten avulla on mahdollista simuloida neutronitähtien yhteensulautumisprosessia myös silloin, jos törmäävät tähdet sisältävät kvarkkiainetta ytimissään. Tulokset edustavat tästä syystä tärkeää askelta kohti sen selvittämistä, kuinka eksoottisia aineen olomuotoja neutronitähdet pitävät sisällään.

Linkki tutkimukseen: Cool quark matter, Physical Review Letters (julkaistu 22.7.2016)

Juttu perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen.


Juttuja samasta aiheesta