Elokuussa 2017 LIGO- ja Virgo-koeasemat havaitsivat ensimmäistä kertaa painovoima-aaltoja, joiden alkuperä oli mustien aukkojen törmäyksen sijaan kahden neutronitähden yhteensulautumisprosessissa. Löydön toivotaan johtavan parempaan ymmärrykseen paitsi näiden äärimmäisen tiheiden ja pienikokoisten tähtien ominaisuuksista myös niiden sisältämän eksoottisen aineen luonteesta.
Neutronitähtien kiertäessä toisiaan huimalla nopeudella juuri ennen törmäystä ne kohdistavat toisiinsa valtavan voimakkaita vuorovesivoimia. Tämä jättää prosessissa vapautuvien painovoima-aaltojen spektriin jäljen, jossa on paljon tietoa tähtien sisältämän aineen ominaisuuksista. Tätä varsin eksoottista ilmiötä suomalaistutkijat käyttivät työssään hyväksi.
Tutkimusryhmä Helsingin yliopistosta ja Hiukkasfysiikan tutkimuslaitoksesta Cernistä pystyi havainnon avulla johtamaan merkittäviä uusia tuloksia tiheän ydinaineen ominaisuuksille.
– Pystyimme ensimmäisinä näyttämään, millaisia rajoitteita painovoima-aaltomittaus asettaa äärimmäisen tiiviin ydinaineen ominaisuuksille, kertoo Helsingin yliopiston apulaisprofessori Aleksi Vuorinen. Hän työskenteli projektissa yhdessä tutkimusryhmänsä jäsenten Eemeli Annalan ja Tyler Gordan sekä Cernissä vaikuttavan Aleksi Kurkelan kanssa.
Tutkimuksen päätulos on entistä tarkempi ennuste ydinaineen ominaisuuksia kuvaavalle tilanyhtälölle. Sitä johtaessaan ryhmä käytti neutronitähtihavaintojen lisäksi teoreettisesti tunnettuja ydinaineen ominaisuuksia ja omia aiempia tuloksiaan kvarkkiaineelle. Tutkimuksensa sivutuotteena tutkijat pystyivät rajoittamaan myös neutronitähtien mitattavia ominaisuuksia kuten sädettä, jonka todennäköisin arvo näyttää uuden tutkimuksen valossa sijoittuvan 11 ja 13,5 kilometrin väliin.
Painovoima-aallot hiukkas- ja ydinfysiikan työkaluina
Vaikka ajatus siitä, että painovoima-aallot voisivat paljastaa jotain uutta hiukkastason fysiikasta ei ole uusi, LIGOn ja Virgon tulosten dramaattisuus yllätti tutkijat.
– Yhdessä yhden aiemman massamittauksen kanssa havainto neutronitähtitörmäyksestä riitti pienentämään ydinaineen tilanyhtälön epätarkkuutta miltei tekijällä kaksi. Tämä on aika häkellyttävä tulos ja osoittaa, mikä potentiaali painovoima-aaltomittauksilla on myös hiukkas- ja ydinfysiikan työkaluna, kuvailee Aleksi Vuorinen.
Lisää uutisia on odotettavissa jo lähitulevaisuudessa, sillä viimesyksyinen painovoima-aaltohavainto tuskin jää viimeiseksi laatuaan. Neutronitähtien sädemittausten tarkkuus on viime vuosina parantunut huomattavasti, ja myös teoreettisen hiukkas- ja ydinfysiikan aloilla kehitys on nopeaa.
Tutkimusaiheen ajankohtaisuutta kuvaa hyvin se, että viime lokakuussa julkaistu painovoima-aaltohavainto on puolen vuoden aikana johtanut jo lähes 700 uuteen tieteelliseen artikkeliin.
Tietoa 130 miljoonan vuoden takaa
Noin 130 miljoonaa vuotta sitten kaksi neutronitähteä törmäsi kaukaisessa galaksissa. Maahan asti näkyneen gammasädepurkauksen lisäksi törmäys synnytti painovoima-aaltoja, jotka havaittiin elokuussa 2017. Tämä ensimmäinen mittaus on avannut täysin uuden ikkunan sekä neutronitähtien maailmaan että niiden sisältämän hyvin erikoisen aineen ominaisuuksiin.
– Neutronitähdet voivat sisältää aivan uudenlaisia aineen olomuotoja aina suprajuoksevasta ydinaineesta kvarkkiaineeseen, jossa neutronit ja protonit ovat puristuneet toistensa sisään, kertoo Aleksi Vuorinen.
Neutronitähdet ovat supernovaräjähdyksissä syntyneitä kohteita, jotka sisältävät tunnetun maailmankaikkeuden tiheintä ainetta. Tästä johtuen ne ovat jo pitkään kiinnostaneet paitsi astronomeja myös ydin- ja hiukkasfyysikoita.
Suomalaisryhmän tutkimustulokset ovat näkyvästi esillä tällä viikolla ilmestyneessä Physical Review Letters -lehdessä, jossa kyseinen artikkeli on valittu Editor's Suggestion -julkaisuksi.
Lue lisää:
Neutronitähtiä tutkiva Aleksi Vuorinen sai eurooppalaisen miljoonarahoituksen
Aleksi Vuorinen tähyää neutronitähtien ytimeen