Mitä tapahtuu, jos ainetta puristaa kasaan ilman rajaa? Puristus voi olla jopa niin voimakasta, että kaikki atomiytimen ja elektronin välissä oleva ”tyhjä” tila häviää. Näin äärimmäisissä olosuhteissa jopa atomiytimien osaset, protonit ja neutronit, hajoavat ja aine saa uuden olomuodon.
Maan pinnalla asian tutkiminen on vaikeaa. Tällaisia törmäyksiä voi tehdä vain hiukkaskiihdyttimissä äärimmäisen pienessä mittakaavassa ja sekuntien murto-osiksi.
Kaukana avaruudessa olevat neutronitähdet ovat täydellinen koelaboratorio. Tyypillinen neutronitähti on halkaisijaltaan vain parikymmentä kilometriä. Massaa keveimmilläkin neutronitähdillä on lähes puolentoista Auringon verran, painavimmilla jonkin verran enemmän.
Tämä tarkoittaa aineen pakkautumista äärimmäiseen tiiviisti. Yksi teelusikallinen neutronitähteä painaisi Maan pinnalla kuusi miljardia tonnia. Jos koko ihmiskunnan pakkaisi yhtä tiivisti, mahtuisimme sokeripalaan.
Tätä äärimmäisempiä olosuhteita on vain mustien aukkojen sisäosissa.
— Neutronitähdet ovat kuitenkin paljon kiinnostavampia, toteaa astrofysiikan apulaisprofessori Joonas Nättilä.
— Mikään ei pääse pois mustista aukoista, joten emme voi tietää niiden sisuksista mitään. Neutronitähdet sen sijaan säteilevät ympäristöönsä kaikenlaista radiosäteilystä röntgensäteisiin. Niinpä voimme saada tietoa niiden olosuhteista.
Nämä äärimmäiset olosuhteet ovat tuoreen Neutronitähtien fysiikan huippuyksikön tutkimuksen kohteena. Monitieteinen ryhmä yhdistää teoreettista ja havaitsevaa astrofysiikkaa, hiukkasfysiikkaa, ydinfysiikkaa ja suhteellisuusteorian tutkimusta.
– Neutronitähden paineessa jopa atomiytimien rakenne hajoaa, ja voi olla, etteivät edes yksittäiset neutronit ja protonit enää pysy kasassa, kertoo huippuyksikön johtaja, Helsingin yliopiston teoreettisen hiukkasfysiikan professori
Jos näin käy, syntyy alkeishiukkasten muodostamaa kvarkkiainetta, jota ei löydy mistään muualta koko maailmankaikkeudessa.
Hypoteesin testaamista lähestytään huippuyksikössä yhdistämällä teoreettisia laskuja sekä supertietokonesimulaatioita uusimpiin havaintoihin tilastollisten menetelmien keinoin. Lisäksi yksikkö tutkii myös neutronitähden pinnan tapahtumia, niin sanottuja tähdenjäristyksiä sekä neutronitähtien törmäyksiä.
— Ne ovat avaruuden väkivaltaisimpia tapahtumia, Nättilä kertoo. Luultavasti melkein kaikki tuntemamme raskaat alkuaineet, kuten kulta ja uraani, ovat syntyneet tällaisissa törmäyksissä.
Neutronitähtifysiikan huippuyksikkö aloittaa toimintansa alkuvuonna 2026 ja jatkaa vuoteen 2030.