Allt vanligt ämne som vi kan observera består av atomer, där den täta kärnan bestående av protoner och neutroner omkretsas av lätta elektroner med negativ laddning. I mycket sällsynta förhållanden, inuti extremt täta neutronstjärnor, kan dock atomerna rasa ihop till ett kärnämne där nukleonerna – alltså neutronerna och protonerna – packas tätt tillsammans och skapar något likt en enorm atomkärna.
Hittills har det varit oklart huruvida ämnet i de massivaste neutronstjärnorna rasar ihop till en ännu mera exotisk form: ett extremt tätt kvarkämne, där nukleonerna inte existerar längre. Ja, de rasar ihop, konstaterar forskningen på avdelningen för fysik vid Helsingfors universitet och dess internationella partners, i en publikation i den uppskattade tidskriften Nature Physics.
– Att fastställa att kvarkkärnor existerar har varit en av de hetaste öppna frågorna inom forskningen om neutronstjärnor sedan denna möjlighet framfördes omkring 40 år sedan, säger biträdande professor Aleksi Vuorinen på avdelningen för fysik och Forskningsinstitutet för fysik vid Helsingfors universitet.
Förekomsten mycket sannolik
Eftersom inte ens simulationer med superdatorer kunde hjälpa till med att lösa mysteriet med omvandlingen från kärn- till kvarkämne, framlade Aleksi Vuorinens forskningsgrupp ett nytt sätt att närma sig frågan. Gruppen insåg att, genom att kombinera resultat från partikel- och kärnfysik med astrofysikaliska mätningar, blev det möjligt att dra slutsatser om egenskaperna hos ämnet i neutronstjärnorna.
Förutom Vuorinen ingår i gruppen doktorand Eemeli Annala från samma avdelning för fysik samt deras internationella kolleger Tyler Gorda från Virginia-universitetet, Aleksi Kurkela från europeiska centralen för partikelfysik CERN, och Joonas Nättilä från Columbia-universitetet.
Enligt forskningen påminner egenskaperna hos ämnet i kärnan av mycket massiva neutronstjärnor mycket mera om kvarkämne än kärnämne. Kärnan som identifierats som kvarkämne kan till radien till och med vara över hälften av stjärnans storlek.
Vuorinen påminner oss dock om att det är mycket som är osäkert då det gäller neutronstjärnors exakta sammansättning. Vad betyder det att kvarkämnet nu nästan säkert har upptäckts?
– Även efter alla observationer är det teoretiskt möjligt att kvarkämnet skulle fattas från kärnan av de mest massiva neutronstjärnorna. Det skulle dock kräva mycket ovanligt beteende av det täta kärnämnet, t.ex. borde ämnen med ljudets hastighet nästan uppnå ljusets hastighet, säger Vuorinen.
Radien härleddes från gravitationella vågor
Två av de senaste tidernas mest betydande resultat inom astrofysik intog nyckelställningar då de nya resultaten beräknades: man hade lyckats mäta gravitationsvågorna som uppstår då neutronstjärnor sammanstöter, samt upptäckt neutronstjärnor som uppmäter mer än två solar i massa.
Observatorierna LIGO och Virgo observerade för första gången år 2017 gravitationsvågor som uppstått vid neutronstjärnors sammanstötningar. Från dessa har man kunnat härleda den övre gränsen för såkallad tidvattensdeformabilitet, och därmed i praktiken också radien för neutronstjärnor som stött samman, där den övre gränsen befanns vara 13 km.
Neutronstjärnor har observerats redan i flera årtionden, men det har inte blivit möjligt att mäta deras exakta massor förrän på 2000-talet. De flesta av de uppmätta stjärnorna är 1-1,7 gånger solens massa, och det är inte förrän de senaste 10 åren som ett par neutronstjärnor med omkring 2 solars massa har upptäckts.
Allt exaktare observationer att vänta
Det är särskilt begränsningarna som mätningarna av gravitationsvågor drog för neutronstjärnornas radier som markant minskade på osäkerheten gällande egenskaperna hos ämnet som ingår i neutronstjärnor, och möjliggjorde analysen som de finländska forskarna presenterade i tidskriften Nature Physics.
Analysen kombinerade nya observationer med de senaste upptäckterna inom teoretisk partikel- och kärnfysik. Därmed kunde man härleda en mera exakt utsaga för en tillståndsekvation för neutronstjärnämnet, det vill säga relationen mellan dess tryck och energitäthet. Tillståndsekvationen har också ett relativitetsteoretiskt samband med relationen mellan neutronstjärnors möjliga radier och massor.
Många nya sammanstötningar mellan neutronstjärnor har observerats sedan hösten 2017, och observatorierna LIGO och Virgo har snabbt blivit en central del av forskningen om neutronstjärnor. Det är hur snabbt den experimentella informationen insamlas som innehar en nyckelroll för preciserandet av de nya resultaten och säkerställandet av kvarkämnesobservationerna, eftersom den lilla osäkerheten som berör resultaten försvinner i och med att nya, mera exakta observationer görs.
– Vi har orsak att anta att den gyllene åldern för mätning av gravitationsvågor är på kommande, och i framtiden kommer vi att se en mängd liknande stora framsteg i vår förståelse för naturens lagar.
Referens: Eemeli Annala, Tyler Gorda, Aleksi Kurkela, Joonas Nättilä och Aleksi Vuorinen, Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars, Nature Physics, June 1, 2020. DOI: 10. 1038/s41567-020-0914-9
https: //www.nature.com/articles/s41567-020-0914-9
Mera information
Biträdande professor Aleksi Vuorinen, Helsingfors universitet
050 338 6725
aleksi.vuorinen@helsinki.fi