ERC

Suomalainen neutronitähtitutkija odottaa gravitaatioaaltoja miljoonarahoitus taskussaan

Ma, 01/09/2017 - 17:28 Toimitus
Neutronitähdet törmäävät

Kerroimme viime viikolla avaruussäätutkimuksesta, joka sai Euroopan tutkimusneuvostolta kahden miljoonan euron rahoituksen. Eräs muista suuren rahoituspotin saaneista suomalaisista on neutronitähtiä tutkiva Aleksi Vuorinen.

Helsingin yliopistossa työtä tekevän akatemiatutkija Vuorisen Euroopan tutkimusneuvolta rahoituksen saaneessa ERC-projektissa tavoitteena on neutronitähtien sisältämän aineen ominaisuuksien ennustaminen. Voisivatko neutronitähdet sisältää kvarkkiainetta?

Onnistuessaan työ tulee vastaamaan yhteen hiukkas- ja ydinfysiikan perustavanlaatuisista kysymyksistä: miten tavallinen atomaarinen aine käyttäytyy kaikkein tiheimmissä mahdollisissa olosuhteissa – silloin, kun sitä puristetaan kasaan miltei rajatta?

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.

Miljoonarahoitus suomalaiseen avaruussäätutkimukseen

To, 01/05/2017 - 13:17 Toimitus
Aurinko

Helsingin yliopiston apulaisprofessori Emilia Kilpua on saanut Euroopan tutkimusneuvostolta kahden miljoonan euron rahoituksen avaruussäätutkimukseen. Tarkoituksena on selvittää, miten geomagneettisia myrskyjä synnyttävät auringonpurkaukset syntyvät, pyörivät ja sulautuvat koronassa. 

Auringon uloin kaasukehä, korona, on harvaa kaasua sisältävä vyöhyke, josta lähtee sähköisesti varautunut hiukkasvirta eli aurinkotuuli ja jossa auringonpurkaukset syntyvät.

Koronan massapurkaukset ovat jättiläismäisiä plasmapilviä, jotka syöksyvät Auringosta planeettainväliseen avaruuteen nopeudella, joka nousee jopa tuhansiin kilometreihin sekunnissa.  Kun avaruuden läpi kiitävä plasma törmää maapalloon – kuten juuri nyt tällä hetkellä – syntyy geomagneettinen myrsky ja näkyy taivaalla revontulia.

Koronan massapurkaukset syntyvät valtavina magneettisina vuoköysinä silloin, kun Auringon monimutkainen magneettikenttä muuttuu. Purkauksia on tutkittu vuosikymmeniä, mutta niiden tarkka syntymekanismi, rakenne ja kehitys ovat edelleen vielä pitkälti ratkaisematta.

"Suurimmat avaruussäähäiriöt aiheutuvat juuri massapurkauksista, ja niiden vaikutukset saattavat ulottua teknisten järjestelmien toimintaan ja luotettavuuteen sekä avaruudessa, ilmassa että maan pinnalla", kertoo Emilia Kilpua.

"Yksi suurimmista haasteista on se, että nykyisillä menetelmillä Auringon koronan magneettikenttää ei voida mitata eikä mallintaa riittävän tarkasti."

Hänen työssään Auringon koronan numeerisia malleja ja havaintoja yhdistetään aivan uudella tavalla. Näin halutaan ensimmäistä kertaa realistisesti selvittää purkausten magneettinen rakenne.

"Me myös mallinnamme ja analysoimme purkausten edellään ajamaa turbulenttia sheath-aluetta ja sen hienorakennetta."

Sheath-alueilla on merkitystä purkauksen vuoköyden kehittymisessä. Purkausten ohella myös ne itse ajavat voimakkaita avaruusmyrskyjä. Alueet tarjoavat siis ainutlaatuisen luonnollisen laboratorion tutkia plasmafysiikan ydinprosesseja. 

"Näitä sheath-alueita on kuitenkin tutkittu tähän mennessä hyvin vähän", toteaa Kilpua.

Kun koronan massapurkausten magneettikenttä on ratkaistu ja sheath-alueet analysoitu tarkasti, voidaan jo sanoa, milloin magneettinen myrsky puhkeaa Maan lähiavaruudessa.

Tietoa magneettikentän rakenteesta tarvitaan myös, kun selvitetään, mitkä mekanismit Auringossa saavat plasmapilvet purkautumaan ja miten plasmapilvet vuorovaikuttavat keskenään edetessään planeettainvälisessä avaruudessa.

Euroopan tutkimusneuvoston rahaa

Euroopan tutkimusneuvoston (ERC) Consolidator Grant -apurahat on tarkoitettu menestyneille tutkijoille, joilla on takanaan 7–12 vuoden lupaava ura tohtorin tutkinnon jälkeen. Tuoreimmat apurahan saaneet tutkijat julkistettiin joulukuussa 2016; rahaa haettiin yhteensä 2274 tutkimushankkeeseen, joista 304 sai rahoituksen.

Heille tutkimusryhmineen on luvassa rahoitusta seuraavalle viisivuotiskaudelle. Koko rahoituspotti on yhteensä 605 miljoonaa euroa. 

Helsingin yliopistosta rahoituksen tällä hakukierroksella saivat Mikko Niemi, Anna-Liisa Laine ja Jaan-Olle Andersoo. Lisäksi Robin Ras ja Paula Hohti Aalto-yliopistosta sai apurahan.

Uutinen perustuu Helsingin yliopiston tiedotteeseen. Otsikkokuva: SOHO (ESA / NASA)

Lisätietoa aurinkopurkauksista: