Neutronitähdet ovat painovoiman vaikutuksesta kokoon luhistuneita, äärimmäisen tiheitä tähtiä. Ne törmäävät toisiinsa harvoin, mutta kun törmäys tapahtuu, väkivaltainen tapahtuma ravisuttaa jopa itse aika-avaruutta niin, että satojen miljoonien valovuosien päästä lähteneet gravitaatioaallot voidaan havaita maan päällä.
Kun kaksi neutronitähteä törmää toisiinsa, ne muuttavat nopeasti muotoaan, kuumenevat, ja jopa niiden sisältämän aineen olomuoto voi muuttua. Törmäyksessä voi syntyä kvarkkiainetta, jossa atomien ytimessä sijaitsevien protonien ja neutroneiden sisään normaalioloissa vangitut rakenneosaset kvarkit ja gluonit pääsevät liikkumaan lähes vapaasti.
Helsingin yliopiston professori Aleksi Vuorinen kuvaa, kuinka ymmärrys yksittäisten neutronitähtien ominaisuuksista on viime vuosina edennyt harppauksittain. Silti emme ymmärrä vielä täysin, mitä suurimmissa tiheyksissä tai dynaamisissa tilanteissa tapahtuu.
– Neutronitähtien törmäyksien kuvaus on erityisen kova haaste teoreetikoille, sillä näiden ajasta riippuvissa systeemeissä kaikki tavanomaiset teoreettiset työkalut näyttävät hajoavan tavalla tai toisella, Vuorinen kertoo.
Viskositeetin määräämistä perustuen säie- ja häiriöteoriaan
Yksi keskeinen käsite neutronitähtien törmäysten tutkimuksessa on tilavuusviskositeetti, joka kuvaa sitä, kuinka kovin hiukkasvuorovaikutukset vastustavat virtausta systeemissä. Helsingin yliopiston tutkijat kollegoineen onnistuivat määrittämään tiheän kvarkkiaineen tilavuusviskositeetin yhdistämällä kaksi eri menetelmää. Toinen lähestymistavoista perustuu säieteoriaan, toinen kvanttikenttäteorian klassikkomenetelmään häiriöteoriaan.
Viskositeetit kuvaavat yleisesti sitä, miten ”kitkaista” virtaus tietyssä nestemäisessä systeemissä on. Tilavuusviskositeetti kuvaa energiahukkaa systeemissä, joka oskilloi säteittäisesti, eli jonka ominaistiheys vuorotellen kasvaa ja pienenee. Juuri tällaisia oskillaatioita tapahtuu neutronitähdissä ja niiden törmäyksissä, ja tilavuusviskositeettiä pidetäänkin neutronitähtitörmäysten kannalta tärkeimpänä ns. kuljetuskertoimena.
Tilavuusviskositeettia voi verrata monelle tutumpaan leikkausviskositeettiin, jonka vaikutus näkyy selvästi vaikkapa hunajan ja veden virtauksissa: hunaja virtaa hitaasti, koska sillä on suuri viskositeetti, kun taas vesi virtaa nopeasti, koska sen viskositeetti on pieni.
Physical Review Letters -julkaisussa juuri ilmestyneessä tutkimuksessa kvarkkiaineen tilavuusviskositeetti määritettiin kahdella eri tavalla: käyttämällä ns. AdS/CFT-dualiteettia eli kansanomaisemmin holografiaa sekä häiriöteoriaa.
Holografiassa ns. vahvasti kytketyn kvanttikenttäteorian ominaisuudet määritetään tutkimalla painovoimaa korkeampiulotteisessa kaarevassa avaruudessa. Kvarkkiaineen tapauksessa tämä mahdollistaa systeemin kuvaamisen neutronitähtitörmäyksissä esiintyvillä tiheyksillä ja lämpötiloilla, joilla vahvan ydinvoiman teorian kvanttiväridynamiikan (QCD) vuorovaikutus on hyvin voimakas. Toisaalta menetelmä ei kykene kuvaamaan kvanttiväridynamiikan vuorovaikutusta suoraan, vaan siinä tutkitaan ominaisuuksiltaan hyvin samankaltaista mallia.
Toinen uudessa työssä käytetty menetelmä eli häiriöteoria on kvanttikenttäteorioiden tutkimuksen peruskauraa. Tässä lähestymistavassa fysikaaliset suureet määritetään vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvaavan kytkinvakion potenssisarjoina. Menetelmä kykenee nimensä mukaisesti kuvaamaan nimenomaan kvanttiväridynamiikkaa, mutta on toisaalta käytettävissä vain valtavasti neutronitähdissä esiintyvien tiheyksien yläpuolella.
Tutkijoiden iloksi kaksi yllä kuvattua menetelmää johtivat hyvin samankaltaiseen tulokseen vahvistaen käsityksen siitä, että tilavuusviskositeetti on kvarkkiaineessa suurimmillaan huomattavasti matalammissa lämpötiloissa kuin ydinaineessa.
– Tämä tieto auttaa meitä ymmärtämään neutronitähtiaineen käytöstä niiden törmäyksissä, akatemiatutkija Risto Paatelainen kuvaa.
– Tutkimustulokset voivat myös auttaa tulevien havaintojen tulkinnassa. Esimerkiksi gravitaatioaaltodatassa voimme etsiä viskositeettiefektejä, joiden poissaolo saattaa paljastaa kvarkkiaineen synnyn neutronitähtitörmäyksissä, täydentää yliopistonlehtori Niko Jokela.
Tutkimus suoritettiin kansainvälisessä mutta hyvin suomalaispainotteisessa yhteistyössä mukana mm. professori Aleksi Kurkela Stavangerin yliopistosta, ryhmänjohtaja Matti Järvinen Asia Pacific Center for Theoretical Physics -tutkimuslaitoksesta Etelä-Koreassa, ja tutkijatohtori Saga Säppi Münchenin teknillisestä korkeakoulusta.
Alkuperäinen artikkeli: Jesús Cruz Rojas, Tyler Gorda, Carlos Hoyos, Niko Jokela, Matti Järvinen, Aleksi Kurkela, Risto Paatelainen, Saga Säppi, and Aleksi Vuorinen. Estimate for the Bulk Viscosity of Strongly Coupled Quark Matter Using Perturbative QCD and Holography. Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.071901
Yhteystiedot
Professori Aleksi Vuorinen, aleksi.vuorinen@helsinki.fi, p. 050-3386725
Yliopistonlehtori Niko Jokela, niko.jokela@helsinki.fi
Akatemiatutkija Risto Paatelainen, risto.paatelainen@helsinki.fi