Suomalainen tutkijaryhmä vahvisti oudon kvarkkiaineen piileksivän neutronitähtien sisuksissa - Tiede | HS.fi
Tiede|Fysiikka

Suomalainen tutkijaryhmä vahvisti oudon kvarkkiaineen piileksivän neutronitähtien sisuksissa

Neutronitähdet ovat ikään kuin epäonnistuneita mustia aukkoja. Ne ovat pieniä ja äärimmäisen tiiviitä.

Neutronitähdestä ei ole valokuvia, koska ne ovat hyvin pieniä ja vaikeasti havaittavia. Niiden aine on äärimmäisen tiheää.

Julkaistu: 1.6. 18:00

Neutronitähdet ovat yksi erikoisimmista asioista maailmankaikkeudessa, äärimmäisen ti­heän aineen palloja.

Ne ovat ikään kuin epäonnistuneita mustia aukkoja. Pienikin massan lisäys riittäisi, niin neutronitähti saattaisi romahtaa mustaksi aukoksi.

Nyt neutronitähdistä raskaimmista on suurella todennäköisyydellä löytynyt niin sanottua kvarkkiainetta, joka on aineen äärimmäinen olomuoto.

Ainakin jos suomalaisen ryhmän löydös pitää paikkansa:

”Aivan sataprosenttisella varmuudella emme voi sanoa, että kvarkkiainetta todella löytyy, mutta tämä näyttää kyllä hyvin todennäköiseltä”, sanoo tutkimusryhmän jäsen, hiukkas­fyysikko Aleksi Vuorinen Helsingin yliopistosta.

Neutronitähdet ja osa mustista aukoista syntyvät samalla tavalla. Massiivinen, satoja kertoja aurinkoamme isompi tähti räjähtää supernovana. Jos tähti on tarpeeksi jättiläismäinen, ydin sortuu mustaksi aukoksi. Jos tähti ei ole tarpeeksi raskas, ydin romahtaa neutronitähdeksi.

Valmiit neutronitähdet eivät ole massaltaan paljon suurempia kuin Aurinko. Ne ovat enintään vähän yli kaksinkertaisia massaltaan. Ne ovat hyvin tiheitä. Niiden säde on vain kymmenen kilometrin luokkaa.

”Jos koko ihmiskunta, kaikki liki kahdeksan miljardia ihmistä, puristettaisiin yhtä tiiviiksi, me olisimme vain sokeripalan kokoisia”, Vuorinen vertaa.

Tulitikkuaskin kokoinen kappale neutronitähteä painaa arviolta­ kolme miljardia tonnia.

Mitä on se kvarkkiaine, jota ryhmä on päätellyt olevan raskaimpien neutronitähtien sisällä?

Tavallisesti atomit, mistä me kaikki koostumme, ovat pääasiassa täynnä tyhjää. Atomi on noin millimetrin kymmenesmiljoonasosan kokoinen ja atomin ydin on vielä noin sata­tuhatta kertaa pienempi. Ytimessä on protoneiksi ja neutroneiksi sanottuja hiukkasia, ja niiden ympärillä elektroneja. Ytimen ja elektronien välissä on runsaasti tyhjää.

Neutronitähtien sisäosissa hirvittävä painovoima painaa atomiytimet yhteen, eikä tyhjää tilaa enää jää. Puristunutta massaa sanotaan ydinaineeksi.

Atomin ytimen protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, kvarkeista.

Yli 40 vuotta on teoretisoitu, että jos neutronitähti on tarpeeksi raskas, sen ytimessä olevat neutronit puristuvat toistensa sisään ja menettävät kokonaan rakenteensa, jolloin syntyy kvarkkiainetta.

Aikaisemmin tätä pidettiin epätodennäköisenä. Vuorisen ja yhteistyökumppaneiden havaintojen perusteella on todennäköistä, että näin todella käy raskaimpien neutronitähtien sisällä.

”Mikäli siellä ei ole kvarkki­ainetta, se edellyttää hyvin kummallisia ominaisuuksia ydinaineessa neutronitähtien sisällä, kuten että äänennopeus neutronitähden sisällä olisi lähellä valonnopeutta”, Vuorinen sanoo.

”Havaintojemme perusteella raskaimpien neutronitähtien sisällä aine käyttäytyy kuitenkin samalla tavalla kuin kvarkki­aineen on teoretisoitu käyttäytyvän”, Vuorinen jatkaa.

Kvarkit ovat siis universumin pienimpiä palasia, joista arkinen aine pääosin koostuu. Jos universumi olisi legoista tehty rakennelma, kvarkit olisivat pienimpiä ja litteimpiä palasia, joissa on vain yksi kiinnitysnappula.

Kuten legoja, kvarkkeja on erilaisia. Niitä on kuutta eri lajia, mutta neutronitähtien ulko­puolella kaikki aine koostuu vain up- ja down-kvarkeista.

Maallikolle ne ovat kaikki outoja, mutta vain yhden nimi on outo, englanniksi strange. Näitä s-kvarkkeja on vain raskaiden neutronitähden sisällä.

Kvarkkiainetta on käytännössä mahdotonta tuottaa keinotekoisesti, niin äärimmäisiä oloja sen synty vaatii.

Vuorinen ryhmineen keksi yhdistellä hiukkasfysiikan teoreettisia laskuja havaintoihin neutronitähdistä.

Avainasemassa olivat vuonna 2017 havaitut painovoima-aallot, jotka syntyivät kahden neutronitähden törmätessä toisiinsa. Tärkeitä olivat myös vuonna 2010 havaitut isoimmat neutronitähdet, joiden massa on enemmän kun kaksi Aurinkoa.

Ryhmä myös varmisti, ettei kevyemmissä neutronitähdissä ole kvarkkiainetta, vaan ne koostuvat ydinaineesta. Tutkimus julkaistiin maanantaina Nature Physics -tiedelehdessä.

Varmuudella ei voi sanoa, kuinka raskas neutronitähden tulee olla että kvarkkiainetta muodostuu, mutta sitä ei ole noin 1,7 Auringon massaisten neutronitähtien sisällä.

Löytö voi ravistella hiukkasfyysikoita, Vuorinen innostuu. Varmistuessaan kyseessä olisi yksi kaikkien aikojen löydöistä neutronitähtien tutkimuksessa.

”Kaikki tietysti toivoisivat, että kvarkkiaineen olemassaolo neutronitähdissä varmistuisi suoralla havainnolla ilmiöstä. Sellaisia ei vielä ole näköpiirissä.”

Pieniä ja tiheitä

Neutronitähdet ovat ­äärimmäisen tiiviin aineen keskittymiä. Ytimen läpimitta voi olla jopa puolet neutronitähden halkaisijasta. 

Neutronitähtien massa on tyypillisesti 1–2 Aurinkoa. 

Niiden säde on nyky­käsityksen mukaan 10–12 kilometriä. 

Neutronitähtiä on joka galaksissa. Linnunradassa niitä voi olla noin sata miljoonaa. 

Koska ne ovat pieniä, niitä on hyvin vaikea havaita ­näkyvän valon teleskoopeilla.

Nopeasti pyörivät pulsarit lähettävät magneettisen napansa ­suuntaan voimakasta röntgensäteilyä. Ne näkyvät kuin ­majakat. Niiden avulla ­neutronitähdet löydettiinkin vuonna 1967.

Luitko jo nämä?

Luetuimmat - Auto & Tiede