Neutronitähti saattaa sisältää kokonaan uuden aineen olomuodon, arvioi akatemiatutkija Aleksi Vuorinen Helsingin yliopistosta.

Aleksi Vuorinen sai reilun miljoonan euron rahoituksen Euroopan tutkimusneuvostolta ERCiltä selvittääkseen maailmankaikkeuden tiheintä ainetta. Kysymys koskee kvarkkiainetta, jota saattaisi löytyä äärimmäisen tiheiden neutronitähtien ytimistä.

Neutronitähtien aine on niin tiheää, että koko ihmiskunta mahtuisi sokeripalan kokoisen kuution sisälle.

— Massiiviset neutronitähdet ovat luhistumaisillaan mustiksi aukoiksi, joten tämän tiheämpiä systeemejä ei mustien aukkojen sisäosia lukuun ottamatta voi ollakaan.

Kvarkkien ja gluonien puuroa

Aineen lisäksi Vuorinen on perehtynyt laskennallisiin menetelmiin. Vaikka ydin- ja kvarkkiaineen ominaisuuksia kuvaava kvanttiväridynamiikka eli QCD on kehitetty yli 40 vuotta sitten, sen matemaattinen hallinta tuottaa yhä vaikeuksia tutkijoille. Uusille teorioille ja mallinnuksille on tilaa.

Teoreettiset ennusteet neutronitähtien ominaisuuksista ovat edelleen epätarkkoja verrattuna siihen, kuinka hyvin muunlaisten tähtien ominaisuudet osataan ennustaa, Vuorinen kertoo.

— Neutronitähtien sisältämässä aineessa ei silti sinänsä ole mitään mystistä. Tähdet koostuvat erittäin tiheästä ydinaineesta eli yhteen puristuneista neutroneista, protoneista ja eräistä raskaammista atomiytimistä.

Suurimpana avoimena kysymyksenä on tällä hetkellä se, meneekö ydinaine neutronitähtien ytimessä eli kaikkein tiheimmässä alueessa kvarkkiaineen olomuotoon.

Kvarkkiaine on Vuorisen mukaan teoreettisesti ennustettu uusi aineen olomuoto, jossa atomiytimen hiukkaset eli protonit ja neutronit puristuvat korkean tiheyden ansiosta toistensa sisään. Se tarkoittaisi aineen rakennusosasten, kvarkkien ja gluonien, puuroa.

Uteliaisuus vie eteenpäin

Toisin kuin mustia aukkoja, joiden sisäosien havainnointia estää gravitaation aiheuttama tapahtumahorisontti, neutronitähtien sisältämää ainetta voidaan tutkia myös empiirisesti. Erityisesti tähdistä lähtevien sähkömagneettisen säteilyn ja gravitaatioaaltojen ominaisuudet pitävät sisällään valtavasti informaatiota tähtien sisäosista.

— Lisäksi tarkat havainnot aivan neutronitähtien makroskooppisista ominaisuuksista kuten massasta ja säteistä voivat kertoa meille jotain hyvin merkittävää QCD:n käyttäytymisestä.

Vuorinen korostaa, että juuri siksi neutronitähdet voivat toimia hiukkasfysiikan laboratoriona.

— Perustieteen ulkopuolelta on kuitenkin vaikea keksiä varsinaisia sovelluksia neutronitähtien tutkimukselle. Kyseessä onkin ennen kaikkea uteliaisuustutkimus, kuten suurimmassa osassa hiukkasfysiikasta ylipäätään.

Vuorinen ei silti halua ottaa kunniaa itselleen uuden mahdollisen olomuodon löytämisestä.

— Kvarkkiaineen perässä on iso joukko tutkijoita, eikä omassa työssänikään ole kyse yhden tiedemiehen missiosta.

Arvokkaat kollegat

Vuorisen tärkein yhteistyökumppani on CERNissä vaikuttava Aleksi Kurkela. Fyysikot ovat tehneet yhteistyötä yli vuosikymmenen ja jatkavat sitä yhä. Kaimoilla oli sama väitöskirjaohjaaja Keijo Kajantie, jonka tieteellistä jälkikasvua käytännössä kaikki QCD:tä tutkivat suomalaiset ovat.

— Aleksin kanssa on äärimmäisen helppoa ja hauskaa työskennellä yhdessä. Olemme myös ystävystyneet: hän oli bestman viime kesänä vietetyissä häissäni ja minä taas olen hänen lapsensa kummisetä, Aleksi Vuorinen kertoo.

Tieteenteko edellyttää sosiaalisuutta. Tärkeitä kumppaneita ovat niin kansainväliset saman alan kollegat kuin Helsingin yliopistossa toimivan ryhmän tutkijatohtorit.

Vuorinen kehuu estoitta myös fysiikan jatko-opiskelijoita ja opiskelijoita. Alan tulevaisuus näyttää valoisalta.

— Meidän opiskelijamme ovat erittäin motivoituneita ja fiksuja, joten en todellakaan voi valittaa työskentelyolosuhteistani.

Kaksi tutkijaheimoa

Aleksi Vuorinen kertoo, että teoreettiset fyysikot jakautuvat kahteen eri päätyyppiin. Toista heimoa luonnehtii kiinnostus luonnon- tai insinööritieteisiin, toista taas kiehtoo puhdas matematiikka.

— Tämän näkee jo uusista opiskelijoista: joidenkin kiinnostus fysiikkaan on hyvin ilmiölähtöistä, kun taas toiset ovat onnellisimmillaan päästessään laskemaan, Vuorinen toteaa.

— Kuulun itse vakaasti jälkimmäiseen ryhmään.

Omimmalta alalta tuntuu juuri teoreettinen hiukkasfysiikka — tai yleisemmin sanottuna korkeaenergiafysiikka. Siihen voi laskea osan kosmologiastakin.

— Tällä alalla matematiikan koneistoa pääsee käyttämään mielenkiintoisten todellisten ongelmien ratkaisemiseen, jotka kertovat jotain siitä, miten luonto kaikkein fundamentaaleimmalla tasolla toimii.

Neutronitähtien tutkijaksi Vuorinen kertoo päätyneensä tutkimuskohteen ajankohtaisuuden ja haasteellisuuden vuoksi.

— Tajusin, että neutronitähtifysiikassa on iso avoin ongelma, jonka ratkaisemiseen pystyisin ehkä osallistumaan.

Artikkeli on Yliopisto-lehdestä Y/03/17.

Yliopisto-lehti on kaikille tarkoitettu, monipuolinen tiedelehti Helsingin yliopistosta.
Tilaa ja rakastu tieteeseen.

Katso myös:

Eu­roo­pan tut­ki­mus­neu­vos­to ERC:n ra­hoit­ta­ma tut­ki­mus Helsingin yliopistossa