kvarkkitähti

Gravitaatioaallot voivat paljastaa neutronitähtien eksoottisen kvarkkiaineen

Ke, 08/03/2016 - 09:03 Toimitus
Taiteilijan näkemys kahden neutronitähden yhteensulautumisprosessista. Kuva: NASA/Swift/Dana Berry

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.

Supernovaräjähdys 1987A oli oudon toispuoleinen

Pe, 05/08/2015 - 12:32 Jarmo Korteniemi
Kuva: NASA/JPL-Caltech/UC Berkeley

Supernovaräjähdys 1987A vaikuttaa olleen erittäin toispuoleinen. NASAn NuSTAR-teleskoopin havaintojen mukaan suurin osa tähden räjähtäneistä ulko-osista kiitää meistä poispäin huimaa 720 kilometrin sekuntivauhtia (2,6 milj. km/h). Tästä voidaan päätellä, että tähden entinen ydin (olipa se sitten nykyisin neutroni- tai kvarkkitähti tai musta aukko) on Newtonin lain mukaan matkalla vastakkaiseen suuntaan.

1987A räjähti Suuressa Magellanin pilvessä 168000 valovuoden päässä, ja näkyi Maassa vuonna 1987. Se on toistaiseksi meitä lähin modernina aikana sattunut supernovaräjähdys, ja sitä on seurattu intensiivisesti koko kehityskaaren ajan.

NuSTARin uudet havainnot perustuvat titaanin isotoopin, Ti-44:n, erittäin tarkkaan kartoitukseen. Ainetta syntyy juuri supernovaräjähdyksen keskiössä, joten sen jakautuminen myös näyttää minkä muotoinen tähden hajoittanut räjähdys oli, ja kuinka räjähdys suuntautui. Aineen liikesuunta saadaan selville säteilyn dopplersiirtymästä.

Jutun lähteenä oleva tiedote ei kuitenkaan kerro, onko Ti-44 -pilven huimasta nopeudesta jo poistettu tähden aiempi ominaisliike. Tiedote ei myöskään ota kantaa siihen, että räjähdyksessä jäljelle jäänyttä neutronitähteä (tai mikä se onkin) ei ole ikinä havaittu. Tulkinta lienee kuitenkin ainakin jossain määrin pitävä, sillä tutkimus julkaistiin torstaina 8.5. tiedelehti Sciencessa.

Kuinka tähti voi räjähtää sillä tavoin?

Koska tähdet ovat suuressa mittakaavassa varsin symmetrisiä kappaleita, räjähdyksen suuntautuminen on periaatteessa varsin outoa. Tutkijat uskovat kuitenkin keksineensä selityksen.

Yksinään elelevän suuren tähden kuollessa tapahtuu II-tyypin supernova. Sellaisia räjähdyksiä on jo pitkään arveltu epäsymmetrisiksi, mutta mallit ovat kaivanneet tuekseen myös havaintoja todellisesta maailmasta. Aiemmin tähän suuntaan vihjanneet havainnot ovat olleet varsin monitulkintaisia, ja ne on voitu selittää vaikkapa tähden ympäristön olosuhteilla. NASAn mukaan NuSTARin Ti-44 -havainnot ovat kuitenkin yksiselitteisiä. Koska aineen puoliintumisaika on vain vaivaiset 85 vuotta, kyse ei juuri voi olla muusta kuin räjähdyksessä syntyneestä tavarasta. Sillä ei voi olla mitään muuta lähdettä.

Viime vuonna NuSTAR todisti myös toisen supernovan (Cassiopeia A:n) olleen hieman toispuoleinen, muttei mitään verrattuna 1987A:n luokkaan. Yhdessä nämä tulokset antavat tutkijoiden mukaan ymmärtää, että epäsymmetrisyys voikin olla aivan perustavaa laatua oleva piirre kakkostyypin supernovissa.

Artikkelin pääkirjoittaja Steve Boggs Kalifornian yliopistolta Berkeleystä selventää syitä epäkeskoon posaukseen: "Tähdet ovat toki pallomaisia kappaleita, mutta ilmeisesti niiden ydin muuttuu kuolinprosessissa turbulenttiseksi. Se kuohuu ja loiskuu viimeisten sekuntien aikana voimakkaasti. Juuri ytimen heiluminen johtaa epäsymmetrisiin räjähdyksiin."

Jää nähtäväksi, onko 1987A vain poikkeus, vai lieneekö se oletusten mukainen tyyppiesimerkki erityisen vinksahtaneista räjähdyksistä.

1987A:n kuvaa hallitsee nykyään kolme laajaa kirkasta rengasta. Ne koostuvat tähdestä ennen räjähdystä irronneesta materiasta, joka tuli näkyväksi ionisoiduttuaan räjähdyksestä tulleesta säteilyannoksesta. Vuonna 2001 sisimmän renkaan kirkkaus alkoi lisääntyä entisestään, kun räjähdyspilvi sai sen viimein kiinni.

1987A:n paikalla oli aiemmin sininen superjättiläistähti, jonka massa oli Aurinkoon verrattuna noin 20-kertainen.

Hätääntyneille tiedoksi: Löytö ei missään nimessä tarkoita, että 1987A:n ytimen jäänne syöksyisi juuri tännepäin, kohti Aurinkokuntaa. Tutkimuksessa ei perehdytty lainkaan liikkeen sivuttaiskomponenttiin, jota eittämättä on ainakin hitusen. Ja näin pitkällä etäisyydellä sekin riittää paremmin kuin hyvin.

Lähteenä käytetty NuSTAR-teleskooppia operoivan Jet Propulsion Laboratoryn tiedotetta.