neutronitähti

Arvoituksellinen neutronitähti hohkaa infrapuna-alueella

Ti, 09/18/2018 - 08:36 Markus Hotakainen

Hubble-avaruusteleskoopilla on havaittu neutronitähden lähettyviltä infrapunasäteilyä. Tutkijat ovat ymmällään, sillä vastaavaa kohdetta ei ole aiemmin tunnettu.

Yleensä neutronitähtien tutkimus keskittyy radio- ja röntgenalueille, mutta nyt niihin on avautunut ikkuna myös infrapuna- eli lämpösäteilyn aallonpituuksilla.

”Tämä neutronitähti on yksi seitsemästä läheisestä röntgenpulsarista, jotka ovat kuumempia kuin niiden pitäisi ikänsä ja pyörimisliikkeen hidastumisesta saatavan energian perusteella olla”, toteaa kansainvälistä tutkijaryhmää johtanut Bettina Posselt Pennsylvanian valtionyliopistosta.

Neutronitähden ympärillä on laaja infrapunasäteilyä lähettävä alue, RX J0806.4-4123, jonka läpimitta on lähes 30 miljardia kilometriä eli noin 200 kertaa suurempi kuin Auringon ja Maan välinen etäisyys.

Kyseessä on ensimmäinen neutronitähti, josta on tehty tällaisia infrapunahavaintoja. Tutkijoiden mukaan ne selittyvät joko pulsaria ympäröivällä pölykiekolla tai ”pulsarituulella”.

”Yhden teorian mukaan neutronitähden ympärille on voinut kertyä ainetta, joka on peräisin supernovana räjähtäneestä tähdestä. Vuorovaikutus kertyneen aineen kanssa on hidastanut pulsarin pyörimistä ja saanut sen lämpötilan kohoamaan”, Posselt arvioi.

Pulsarin magneettikentän kiihdyttämät hiukkaset ovat toisaalta voineet muodostaa ”pulsarituulisumun”. Neutronitähden vaeltaessa tähtienvälisessä avaruudessa ääntä nopeammin – jos ääni kulkisi liki tyhjässä avaruudessa – pulsarista puhaltavan hiukkastuulen ja tähtienvälisen aineen vuorovaikutuksessa muodostuu shokkiaalto. Siinä syntyy synkrotronisäteilyä, joka havaitaan infrapuna-alueella.

”Yleensä pulsarituulisumut ’näkyvät” röntgenalueella, joten infrapuna-alueen kohde olisi hyvin epätavallinen ja kiinnostava”, Posselt toteaa.

Tutkimuksesta kerrottiin NASAn Goddardin avaruuslentokeskuksen uutissivuilla ja se on julkaistu Astrophysical Journal-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: NASA/ESA/N. Tr'Ehnl (Pennsylvania State University)

Paljonko neutronitähti voi painaa?

Ke, 01/17/2018 - 14:27 Markus Hotakainen
Havainnollistus neutronitähdestä. Kuva: Goethe University Frankfurt

​Neutronitähdet, nuo jättiläistähtien vähän yli kymmenkilometriset jäänteet, löydettiin 1960-luvulla, mutta niiden massa laskettiin jo 1930-luvun lopulla. Tai tarkkaan ottaen massalle saatiin laskettua teoreettinen yläraja.

Maksimimassan suuruus tunnetaan Tolmanin–Oppenheimerin–Volkoffin rajana, sillä sen laskivat Robert "Atomipommi" Oppenheimer ja George Volkoff kollegansa Richard Tolmanin kvanttiteoreettisten tarkastelujen pohjalta. 

Oletuksena oli, että neutronitähden aine on niin sanottua Fermi-kaasua, joka koostuu pelkästään neutroneista. Todellisuudessa olosuhteet neutronitähtien sisuksissa tunnettiin kehnosti, joten alkujaan ylärajaksi saatiin vain noin 0,7 kertaa Auringon massa.

Jos neutronitähden massa kasvaa tätä raja-arvoa suuremmaksi – kuten voi tapahtua kaksoistähtijärjestelmässä, jossa toisesta tähdestä virtaa kaasua neutronitähteen – sen sisäinen paine ei enää kykene vastustamaan vetovoimaa, vaan neutronitähti luhistuu mustaksi aukoksi.  

Sittemmin arviota on korotettu puolestatoista peräti kolminkertaiseen Auringon massaan. Isohko vaihteluväli kertoo siitä, että neutronitähtien sisäistä rakennetta ei edelleenkään tunneta kovin hyvin.

Useimpien neutronitähtien massan on todettu olevan noin 1,4 Auringon massaa, mutta raskaampiakin on löydetty. Esimerkiksi pulsarin PSR J0348+0432 massa on 2,01 -kertainen Auringon massaan verrattuna.

Nyt ylärajalle on saatu uusi, entistä paljon tarkempi arvo. Göethe-yliopiston tutkijat Luciano RezzollaElias Most ja Lukas Weih ovat laskeneet uuden ylärajan muutaman prosentin tarkkuudella.

Menetelmä perustuu Cosima Breun samaisessa yliopistossa tekemään tutkimukseen, joka osoitti neutronitähtien tietyt piirteet universaaleiksi riippumatta aineen tilanyhtälön kuvaamista sisäisistä ominaisuuksista.

Kun tutkimuksen tulos yhdistettiin tuoreisiin gravitaatioaaltohavaintoihin kahden neutronitähden yhteentörmäyksestä (kuvassa tietokonemallinnus tapahtumasta), saatiin massan ylärajaksi noin 2,17 Auringon massaa.

Se pätee pyörimättömälle neutronitähdelle, mikä on tilanteena varsin teoreettinen, sillä kaikki tähdet pyörivät. Pyörivälle neutronitähdelle massan yläraja on hieman suurempi, sillä pyörimisliikkeen aiheuttama keskihakuvoima vastustaa osaltaan tähden taipumusta luhistua vetovoiman vaikutuksesta vielä tiheämmäksi kappaleeksi. 

Tulos on tutkijoiden mukaan hyvä esimerkki teorian ja havaintojen saumattomasta yhteispelistä. "Teoreettisen tutkimuksen kauneus on sen kyvyssä tehdä ennusteita. Teoria kaipaa kuitenkin kipeästi havaintoja, jotka asettavat rajat epävarmuustekijöille", toteaa Rezzolla.  

Kun gravitaatioaaltoja onnistuttiin havaitsemaan ensimmäisen kerran LIGO-observatorioiden huippuherkillä interferometreillä, tutkijat hehkuttivat, kuinka maailmankaikkeuteen avautui uusi ikkuna. Neutronitähden massan yläraja on ensimmäisiä uudesta ikkunasta avautuneita konkreettisia näkymiä. 

*

Uutinen perustuu Göethe-yliopiston tiedotteeseen.
Kuva: Goethe University Frankfurt

Radiopurkausten polarisaatio kielii lähteen lähiympäristöstä

Ke, 01/10/2018 - 20:40 Toimitus

Vuodesta 2007 lähtien eri puolilla taivasta havaittujen nopeiden radiopurkausten arvoitus saattaa olla hiljalleen ratkeamassa. Nyt näyttää vahvasti siltä, että ne ovat peräisin neutronitähdistä.

Tutkijat ovat selvittäneet Arecibon ja Green Bankin radioteleskoopeilla tehtyjen havaintojen avulla, että FRB121102-tunnuksella tunnetun lähteen radiopurkaukset ovat voimakkaasti polarisoituneita. Ja se kertoo paljon lähteen lähiympäristöstä.

Vuosi sitten tutkijaryhmä sai määritettyä FRB121102:n sijainnin. Se on yli kolmen miljardin valovuoden etäisyydellä sijaitsevassa kääpiögalaksissa alueella, jolla syntyy uusia tähtiä. Koska etäisyys on näin suuri, yksittäisen purkauksen energiamäärän täytyy olla valtaisa: millisekunnissa vapautuu saman verran energiaa kuin Auringossa yhden vuorokauden aikana.

FRB121102 on toistaiseksi löydetyistä nopeiden radiopurkausten lähteistä ainoa, jossa niitä havaitaan toistuvasti. Polarisaatio eli sähkömagneettisen säteilyn sähkökentän värähtelytason suuntautuminen ei ole mikään ihmeellinen asia, sillä esimerkiksi vedenpinnasta heijastunut auringonvalo on polarisoitunutta.

Tässä tapauksessa kyse on hieman mutkikkaammasta ilmiöstä, sillä FRB121102:n radiosäteilyn todettiin olevan ympyräpolarisoitunutta eli sähkökentän värähtelytaso kiertyy. Tämä niin sanottu Faraday-kiertymä syntyy säteilyn kulkiessa magneettikentässä: mitä suurempi kiertymä, sitä voimakkaampi magneettikenttä.  

FRB121102:n tapauksessa kiertymä on suurimpia radiolähteillä havaittuja, joten purkausten säteilyn täytyy kulkea tiheässä plasmassa, jossa on poikkeuksellisen voimakas magneettikenttä.

“Linnunradan ainoat kohteet, joissa kiertymä on yhtä suuri kuin FRB121102:n säteilyssä, sijaitsevat galaksimme keskuksessa lähellä massiivista mustaa aukkoa. FRB121102 saattaa olla omassa galaksissaan samanlaisessa ympäristössä”, arvelee väitöskirjatutkija Daniele Michilli Amsterdamin yliopistosta ja Hollannin radioastronomian instituutista ASTRONista.

Hänen mukaansa radiopurkausten kiertymä voi selittyä myös sillä, että niiden lähde on voimakkaasti säteilevässä kaasusumussa tai supernovajäänteessä.

 

 

Tällä kertaa purkauksia havaittiin aiempaa korkeammilla radiotaajuuksilla, mikä osaltaan auttoi mahdollisen lähteen selvittämisessä. Arecibossa työskentelevän Andrew Seymourin mukaan ”purkausten polarisaatio ja rakenne ovat samanlaisia kuin Linnunradan nuorten ja hyvin energisten neutronitähtien säteilyllä. Se tukee malleja, joiden mukaan purkaukset ovat peräisin neutronitähdestä”.

Ennätyksellisen voimakkaan polarisaation lisäksi FRB121102:n purkausten rakenne on mutkikas. Siinä missä muissa vastaavissa purkauksissa esiintyy yksi tai korkeintaan kaksi ”kirkastumaa”, FRB121102:n purkauksessa niitä on havaittu jopa seitsemän.

Laura Spitler radioastronomian Max Planck -instituutista kertoo, että ”seuraavaksi yritämme selvittää, onko purkausten rakenne seurausta radiosäteilyn syntyprosessista vai syntyykö se säteilyn kulkiessa lähteen lähellä sijaitsevassa tiheässä plasmassa”.

“Jatkossa tarkkailemme, miten purkausten ominaisuudet muuttuvat aikaa myöten”, sanoo Jason Hessels Amsterdamin yliopistosta. ”Toivomme uusien havaintojen varmistavan, kumpi kilpailevista hypoteeseista on oikea: onko neutronitähti lähellä mustaa aukkoa vai voimakkaasti säteilevän kaasusumun sisällä.”

Tutkimuksesta kerrottiin Max Planck -instituutin uutissivuilla ja se julkaistaan Nature-tiedelehdessä.

Kuvat: David Broad/CC BY 3.0 [Arecibo], Gemini Observatory/AURA/NRAO/NSF/NRC [FRB121102]

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.

Suomalaistutkijat varmistivat uuden tavan tehdä alkuaineita – löytö voi auttaa selvittämään maailmankaikkeuden mysteereitä

Ke, 11/30/2016 - 21:20 Jarmo Korteniemi
Kuva: NASA / GSFC / Dana Berry

Turkulaiset tähtitieteilijät havaitsivat uudenlaisen mekanismin, jolla alkuaineita voi syntyä ja levitä avaruuteen. Aiemmin prosessin olemassaoloa on uumoiltu, mutta nyt se on viimein todennettu. Mekanismi voi kenties selittää keskiraskaiden aineiden yleisyyden outoudet.

Tuorlan observatorion tähtitieteilijät Jari Kajava, Joonas Nättilä ja Juri Poutanen yhdessä Kanadassa, Saksassa ja Venäjällä olevien kollegoidensa kanssa huomasivat, että erikoisessa röntgenpurkauksessa syntyy uusia aineita. Purkauksia on havaittu aiemminkin, mutta fuusioituvan raskaan aineen pakenemisen – ja siten myös niiden havaitsemisen – ei ole yleisesti uskottu olevan mahdollista.

Purkaus tapahtuu aivan neutronitähden yläkerroksissa. Syynä on sen kumppanitähdestä peräisin oleva aine, joka fuusioituu räjähdysmäisesti joutuessaan neutronitähden pinnalla vallitsevaan valtaisaan paineeseen ja lämpötilaan.

Tutkijoiden arvion mukaan ympäröivään avaruuteen levisi hetkessä noin 1016 kiloa vastasyntyneitä aineita, pääosin rautaa. Määrää on vaikea hahmottaa. Se vastaa vajaan 3000 vuoden kaikkea metallintuotantoa tällä planeetalla – nykytahdilla, joka on suurempi kuin ikinä aiemmin. Röntgenpurkauksen yhteydessä määrä kuitenkin syntyy sekunneissa.

Toisaalta neutronitähti synnyttää tuossa kertarykäisyssä vain alle sadastuhannesosan Kuun rautaisen ytimen massasta. (Ja Kuulla on muuten erittäin pieni ydin, vain pari prosenttia koko pallosta.)

Tähtipari sijaitsee meistä 16 000 valovuoden päässä, Jousimiehen tähdistössä. Se tunnetaan koodilla HETE J1900.1-2455.

Aktiivisia röntgenpurkautujia tunnetaan koko Linnunradasta vain runsaat sata. Ne ovat kaikki kaksoistähtijärjestelmiä, jossa neutronitähti ja pienimassainen kumppanitähti kiertävät toisiaan. Galaksin koko historian aikana vastaavia pareja on kuitenkin ehtinyt olla jo satoja, ehkä tuhansia kertoja enemmän.

Mutta kaikki eivät purkaudu tällä tavalla. Tuhansien tutkittujen purkausten joukosta tämä on tiettävästi vasta ensimmäinen, josta löydettiin pitävät todisteet raskaiden aineiden olemassaolosta tähteä ympäriöivän kaasukehän ulko-osista.

Tutkitunlaiset purkaukset ovat siis hyvin harvinaisia. Sellainen vaatii juuri sopivat olosuhteet, ja esimerkiksi naapuritähdeltä tulevan ainevirran on oltava juuri oikeanlainen. Sekä tähtipari että tutkimuksessa kuvattu purkaus ovat epätyypillisiä. Jatkoanalyysit ovat yhä kesken, mutta tutkijoiden valistuneen arvauksen mukaan joka tuhannes purkaus voisi olla vastaavanlainen.

Ratkaisu mysteeriin?

Vallalla olevien mallien mukaan alkuaineita syntyy kolmella tavalla. Alkuräjähdyksessä syntyi ainoastaan vetyä, heliumia ja litiumia. Tähtien sisällä tapahtuvassa fuusiossa taas saa alkunsa moni raskaampikin aine, mutta vain rautaan asti. Kaikki sitä raskaammat aineet taas syntyvät erilaisissa supernovaräjähdyksissä, ja kenties tähtien törmäyksissä (jotka tosin ovat erittäin harvinaisia).

Ongelmana kuitenkin on, etteivät havainnot ja mainitut vanhat mallit sovi kunnolla yhteen. Etenkin vanhoissa tähdissä vaikuttaa olevan aivan liikaa keskiraskaita alkuaineita, joilla on ytimessään 38–52 protonia. Tuolta väliltä löytyvät esimerkiksi tina, hopea, palladium ja turkulaisen Johan Gadolinin vuonna 1794 löytämä yttrium.

Röngenpurkauksissa syntyvien alkuaineiden havaitseminen osuu sopivaan väliin. Havaintoa olisi vaikea selittää, elleivät aineet pääsisi karkaamaan neutronitähtien pinnalta, rikastuttamaan tähtienvälistä ainetta ja lopulta osaksi uusien tähtien rakennusaineita. Löytö voi siis auttaa selvittämään ongelmallisten alkuaineiden suhteellista yleisyyttä.

Tutkimus julkaistaan piakkoin brittiläisessä Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters -julkaisusarjassa, mutta sen raakaversio on jo luettavissa arXiv-palvelussa.

Lopuksi vielä kuvasarja röntgenpurkauksen kehittymisestä:

Päivitys 1.12. klo 6:00: Korjattu sana "kertarykäisyssä" sanalla "kerralla" sekä vaihdettu toinen kappale tarkkuuden vuoksi nykyiseen muotoonsa. Aiemmin kohdassa luki "Purkaus tapahtuu aivan neutronitähden lähellä. Syynä on sen kumppanitähdeltä putoava aine, joka fuusioituu päästessään riittävän lähelle raskasta naapuriaan." Kumppanitähdeltä tuleva materia kertyy kuitenkin aluksi neutronitähden pinnalle, ja fuusio syttyy vasta noin kilometrin syvyydellä sen pinnan alla.

Kuvat: NASA / GSFC / Dana Berry

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.

Tältä näyttää supernovan sisällä

Ma, 06/13/2016 - 09:15 Markus Hotakainen

Päivän kuvassa on tänään tietokonemallinnus supernovasta, eli massiivisesta räjähdyksestä, joka syntyy jättiläistähden energiaa tuottavan fuusioreaktion loppuessa. Kyseessä on siis ikään kuin tähden kuolema ja sen loppukouristus.

Päivän kuvaSupernovaräjähdyksen kirkkaus voi hetkellisesti päihittää kokonaisen galaksin säteilemän valon. Vaikka periaatteessa supernovan tapahtumakulusta on hyviä teoreettisia malleja, on lähellä tapahtuneita supernovaräjähdyksiä valitettavasti sen verran vähän, että niistä ei ole saatu paljoa tietoa. Supernovat ovat varsin harvinaisia tapahtumia, eikä omassa galaksissamme, Linnunradassa, ole sellaisia tapahtunut modernin tähtitieteen aikaan yhtään.

Sellaista toki odotetaan: mm. jättiläistähdet Rho Cassiopeiae, Eta Carinae ja Betelgeuze voivat räjähtää melkein milloin vain, sillä niiden arvellaan olevan aivan elinikänsä lopussa. Muissa galakseissa havaitaan supernovia kohtalaisen usein, mutta niistä ei voida tehdä kovin tarkkoja havaintoja.

Räjähdyksiä voidaan onneksi simuloida. Tietokonemallinnuksessa on tarkasteltu tähden sisäosien luhistuessa vapautuvien neutriinojen aiheuttamaa ulospäin suuntautuvaa painetta. Kuuma kaasu laajenee nopeasti ja työntää edellään paineaaltoa. Kuva esittää tilannetta 0,4 sekuntia räjähdyksen jälkeen – eli käytännössä räjähdys on parhaillaan tapahtumassa. Myllerryksen keskellä näkyvä pieni harmaa laikku on vastasyntynyt neutronitähti.

Paineaallon mukana kiitävä ja sen ulospäin työntämä kaasu jää jäljelle supernovajäänteenä, joka hehkuu pitkään monilla eri aallonpituuksilla ja on nähtävissä tuhansiakin vuosia. Supernovissa muodostuu rautaa raskaampia alkuaineita kuten uraania, tinaa ja kultaa. 

© Max Planck Institut für Astrophysik

Intia laukaisee mustia aukkoja tutkivan satelliitin

To, 09/24/2015 - 18:28 Markus Hotakainen
Intian Astrosat

Mikäli kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, ensi maanantaina kaakkoisessa Intiassa sijaitsevasta Satish Dhawan -avaruuskeskuksesta kohoaa Maata kiertävälle radalle Astrosat-tutkimussatelliitti. 

Sillä on tarkoitus tutkia mustia aukkoja – niin tähdenmassaisia kuin supermassiivisiakin – sekä neutronitähtiä. Astrosatilla on massaa lähes 1,5 tonnia ja siinä on neljä samaan suuntaan osoittavaa teleskooppia.

Niillä voidaan tehdä havaintoja laajalla aallonpituusalueella näkyvästä valosta ultravioletti- ja röntgensäteilyyn saakka. Lisäksi satelliitissa on mittalaite, joka tarkkailee kirkkaita, lyhytaikaisia ilmiöitä.

Tutkimalla avaruuden kohteista tulevan säteilyn aika- ja spektririippuvuutta tähtitieteilijät pyrkivät saamaan paremman käsityksen mustia aukkoja ympäröivästä aineesta ja sen käyttäytymisestä voimakkaassa gravitaatiokentässä. 

Satelliitin ja sen instrumenttien rakentamiseen ovat osallistuneet Tatan perustutkimuksen instituutti TIFR (Tata Institute for Fundamental Research), Intian tähtitieteen instituutti IIA (Indian Institute for Astronomy) ja Intian yliopistojen tähtitieteen ja astrofysiikan keskus IUCAA yhteistyössä Intian avaruustutkimusjärjestön ISROn (Indian Space Research Organisation) kanssa. Hankkeessa ovat mukana myös Kanadan avaruusjärjestö ja Leicesterin yliopisto Isosta-Britanniasta. 

Uudesta satelliitista kerrottiin Leicesterin yliopiston uutissivulla.

Kuva: Indian Space Research Organisation (ISRO)

Neutronitähdet iskevät takaisin

To, 08/06/2015 - 13:02 Markus Hotakainen
Neutronitähden aihesuihkut

Mustat aukot eivät ole yksioikoisia kosmisia imureita, jotka ahmivat kitaansa kaiken eteensä osuvan. Niiden ympärillä on usein aukkoon putoavasta aineesta muodostunut kertymäkiekko – periaatteessa samanlainen pyörre kuin pesualtaan pohjasta pois valuvassa vedessä – ja sen pyörimisakselin myötäinen, kahteen suuntaan kiitävä hiukkassuihku.

Tähän saakka on arveltu, että voimallisten ilmiöiden aikaansaajana mustat aukot ovat ylivertaisia. Vaan eivätpä olekaan. Tuoreiden havaintojen mukaan neutronitähdet pystyvät loihtimaan jokseenkin yhtä energistä myllerrystä niitä ympäröivään avaruuteen.

"Se on yllättävää ja kertoo siitä, että joissakin neutronitähden ja tavallisen tähden muodostamissa järjestelmissä tapahtuu sellaista, mitä emme ole kuvitelleetkaan", toteaa Adam Deller ASTRONista, Alankomaiden radioastronomian instituutista (Netherlands Institute for Radio Astronomy).

Mustat aukot ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä kohteita, mutta neutronitähdet tulevat hyvänä kakkosena. Kaksoistähtijärjestelmissä kumpikin voi vetää puoleensa kumppaninaan olevan tavallisen tähden ainetta. Osa aineesta saattaa sinkoutua kauas avaruuteen liki valon nopeudella etenevinä suihkuina.

Vähäinenkin mustaan aukkoon syöksyvä aine voi aiheuttaa suihkuja, jotka säteilevät voimakkaasti radioalueella. Neutronitähteen putoavan kaasun määrän pitää kuitenkin olla hyvin suuri, jotta seurauksena olisi havaittava ainesuihku – tai näin kuviteltiin.

Vastikään neutronitähdestä nimeltä PSR J1023+0038 tehdyt röntgen- ja radiohavainnot kertovat toista. Anne Archibaldin, toisen ASTRONin tutkijan, vuonna 2009 löytämä kohde on niin sanottu "muuttuva millisekuntipulsari". 

Neutronitähti saattaa olla vuosikausia rauhallisessa "lepotilassa", kunnes se taas alkaa kerätä ympärilleen ainetta. Vuosina 2013–14 sen havaittiin vetävän ainetta puoleensa hyvin vähäisiä määriä, joten mahdollisesti syntyvän suihkun arveltiin olevan heikko.

"Odottamatta VLA-radioteleskoopilla tehdyt havainnot kertoivat voimakkaasta säteilystä, joka viittasi lähes yhtä voimakkaaseen suihkuun kuin mustien aukkojen yhteydessä oletetaan syntyvän", Deller kertoo.

Sittemmin on löydetty kaksi muutakin "muuttuvaa" järjestelmää ja kummassakin esiintyy suihkuja, jotka ovat ominaisuuksiltaan mustien aukkojen luokkaa. Toistaiseksi ilmiölle ei ole löytynyt selitystä, mutta Dellerin johtaman ryhmän on tarkoitus tehdä tällaisista kaksoistähtijärjestelmistä lisähavaintoja ja etsiä myös ennestään tuntemattomia. Uusien havaintojen toivotaan antavan eväitä ilmiön teoreettiselle tarkastelulle ja paljastavan syyn neutronitähtien odottamattomalle energisyydelle.

Uusista löydöistä kerrottiin NRAO:n (National Radio Astronomy Observatoryuutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

Pulsarin gammasäteily ajoittaa kaksoistähden kiertoliikettä

Su, 08/02/2015 - 10:49 Markus Hotakainen
Pulsari kaksoistähdessä

0FGL J2339.8-0530 on voimakas gammasäteilylähde, joka päätyi Fermi-avaruusteleskoopin kohdeluetteloon vuonna 2009. Muilla aallonpituuksilla tehdyt havainnot paljastivat, että se on millisekuntipulsari, joka kuuluu hyvin lähekkäiseen kaksoistähtijärjestelmään. 

Millisekuntipulsarit ovat tiheitä neutronitähtiä, massiivisten tähtien jäännöksiä, jotka nimensä mukaisesti pyörivät niin vinhasti, että ne tuikahtavat millisekuntien välein. Pulsarien voimakas magneettikenttä suuntaa niiden säteilyn kahteen kapeahkoon keilaan, jotka saavat ne näyttämään kosmisilta majakoilta. 

Gammasäteilylähteen toinen luettelonimi on PSR J2339-0533 – jos se nyt tekee muistamisen helpommaksi – ja sen radiosäteily paljasti kaksoistähdessä käynnissä olevan vuorovaikutuksen. 

Pulsarin voimakas säteily kuumentaa kaksoistähden toista osapuolta, tavallista tähteä, ja höyrystää sen uloimpia kerroksia. Höyrystyneestä aineesta muodostuu kaasupilviä, jotka imevät itseensä pulsarin radiosäteilyä ja aika ajoin peittävät sen "näkyvistä".

Gammasäteily sen sijaan läpäisee vaivatta kaasun ja tarjoaa aallonpituusalueen, jolla kaksoistähden ominaisuuksia on nyt pystytty määrittämään yksityiskohtaisesti. Pulsari ja tähti kiertävät toisensa kerran 4,6 tunnissa, mutta kiertoliike ei ole tasaista. Fermi-avaruusteleskoopin avulla pystyttiin tekemään huipputarkkoja havaintoja ja ne paljastivat kaksoistähden kiertoliikkeessä odottamattomia vaihteluja.

"Muutokset ovat ainoastaan joitakin sekunnin tuhannesosia, mutta verrattuna sekunnin miljoonasosien havaintotarkkuuteen, ne ovat suuria", kertoo tutkijaryhmään kuulunut Colin Clark. "Maan kiertoliikkeeseen suhteutettuna se tarkoittaisi, että vuoden pituus vaihtelisi kymmeniä sekunteja suuntaan tai toiseen."

Poikkeuksellinen tarkkuus perustui uuteen tapaan tarkastella lähteen lähettämää säteilyä. "Toisin kuin aikaisemmissa havaintomenetelmissä, joissa tarkasteltiin useiden gammafotonien keskimääräistä saapumisaikaa ja näin menetettiin ajallinen erotuskyky, meidän soveltamamme menetelmä perustuu yksittäisten fotonien saapumisaikoihin", selittää Clark. 

Todennäköisimpänä syynä kiertoajan vaihteluun pidetään pieniä muutoksia tähden muodossa. Niiden taustalla olisi puolestaan magneettinen aktiivisuus, periaatteessa samanlainen, mutta paljon voimakkaampi ilmiö kuin Auringossa. Kun tähden muoto muuttuu, tapahtuu myös sen vetovoimassa muutoksia, ja se vaikuttaa tähden ja pulsarin keskinäiseen kiertoliikkeeseen.  

Asia ei kuitenkaan ole vielä loppuunkäsitelty eikä selitys täysin vankalla pohjalla. "Tulevaisuudessa samaan aikaan näkyvän valon alueella tehtävät havainnot auttavat meitä osoittamaan tähden aktiivisuuden ja kiertoajan muutosten välisen riippuvuuden", toivoo tutkijaryhmää johtanut Holger Pletsch.

Tutkimuksesta kerrottiin Albert Einstein -instituutin uutissivulla ja se julkaistiin The Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: Knispel/AEI/SDO/AIA/NASA/DSS