Neutronitähtien ytimet sisältävät koko tämänhetkisen maailmankaikkeuden tiheintä ainetta: jopa kahden auringon verran materiaa on puristunut niissä pääkaupunkiseudun kokoisen pallon sisään.
Neutronitähtiä voikin ajatella valtavina atomiytiminä, joiden sisällä aineen tiheys ylittää yksittäisten neutronien ja protonien jo sinällään valtaisan tiheyden moninkertaisesti.
Näin korkeat tiheydet tekevät neutronitähdistä mielenkiintoisia tutkimuskohteita myös hiukkas- ja ydinfysiikalle johtuen siitä, ettemme vieläkään tiedä, sisältävätkö niiden ytimet kokonaan uutta aineen olomuotoa: kylmää ja tiheää kvarkkiainetta.
– Tässä hyvin eksoottisessa aineessa protoneja ja neutroneja ei enää esiinny, vaan niiden sisään normaalioloissa vangitut rakenneosaset kvarkit ja gluonit pääsevät liikkumaan lähes vapaasti, teoreettisen hiukkasfysiikan professori Aleksi Vuorinen pohjustaa.
Vain vahva olomuodonmuutos esteenä varmuudelle
Nature Communications -lehdessä vastikään julkaistussa artikkelissa Helsingin yliopiston tutkijat johtivat kollegoidensa kanssa kaikkien aikojen ensimmäisen todennäköisyysarvion sille, että massiivisten neutronitähtien ytimistä todella löytyy kvarkkiainetta: kvarkkiaineytimien todennäköisyys on noin 80–90%.
Jäljellejäävä pieni todennäköisyys, ettei ytimissä olekaan kvarkkiainetta, vastaa tutkijoiden mukaan erityistä tilannetta, jossa aineen olomuodon muutos ydinaineesta kvarkkiaineeksi ei tapahdukaan pikkuhiljaa, vaan kertarysäyksellä ns. ensimmäisen kertaluvun olomuodonmuutoksena - kuten jään sulaessa nestemäiseksi vedessä.
Tällainen äkillinen olomuodonmuutos saattaisi jopa rikkoa neutronitähden, eikä kvarkkiainetta siksi pääsisi syntymään tähden sisälle.
Tutkijaryhmä pystyi lisäksi näyttämään, miten kvarkkiytimien olemassaolo pystytään jatkossa joko varmistamaan tai poissulkemaan: nimenomaan vahvan olomuodonmuutoksen kautta. Tätä voidaan todennäköisesti arvioida tulevien gravitaatioaaltohavaintojen avulla, kun signaali kahden neutronitähden törmäyksen viimeisestäkin vaiheesta saadaan viimein onnistuneesti havaittua.
Massiivisia laskuja havaintodatasta
Tutkimusta varten tarvittiin massiivisia supertietokonelaskuja, joissa tutkimusryhmä hyödynsi ns. bayesilaista päättelyä. Se on tilastotieteen haara, jossa havaintodatasta pyritään päättelemään suoraan erilaisten malliparametrien arvoja.
Bayesilaisen päättelyn tulosten ansiosta ryhmä pystyi johtamaan rajoja neutronitähtiaineen ominaisuuksille ja osoittamaan sen lähestyvän kaikkein massiivisimpien tähtien keskellä kvarkkiaineelle tyypillistä ns. konformaalista käytöstä.
Joonas Nättilä, yksi artikkelin pääkirjoittajista, kuvaa tehtyä työtä tieteenalojen rajat ylittäväksi ponnistukseksi, joka vaati asiantuntemusta astrofysiikasta, hiukkas- ja ydinfysiikasta sekä tietojenkäsittelytieteestä. Hän aloittaa toukokuussa 2024 Helsingin yliopiston apulaisprofessorina.
– On todella mielenkiintoista nähdä konkreettisesti, miten jokainen uusi neutronitähtihavainto auttaa meitä päättelemään neutronitähtiaineen ominaisuuksia yhtä paremmin.
Nättilän ja Vuorisen ohjauksessa työskennellyt jatko-opiskelija Joonas Hirvonen puolestaan korosti tutkimuksen suurteholaskentaan liittyvää puolta:
– Jouduimme käyttämään miljoonia prosessoritunteja supertietokoneaikaa pystyäksemme vertaamaan teoreettisia ennusteitamme havaintoihin ja arvioimaan niiden avulla kvarkkiaineytimien todennäköisyyttä. Olemme todella kiitollisia Tieteen tietotekniikan keskus CSC:lle tämän mahdollistamisesta!
Alkuperäinen julkaisu: Annala, E., Gorda, T., Hirvonen, J. et al. Strongly interacting matter exhibits deconfined behavior in massive neutron stars. Nat Commun 14, 8451 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-44051-y