Tätä kysymystä on lähestytty vuosikymmenten ajan niin teoreettisen ydinfysiikan ongelmana, kuin pyrkimällä mittaamaan tähtien ulkoisia ominaisuuksia, kuten massaa ja sädettä.
Uusi tulokulma ongelmaan saatiin hiljattain, kun kansainväliset LIGO- ja Virgo-tutkimusryhmät havaitsivat gravitaatioaaltosignaalin hyvin kaukaisesta kahden massiivisen mustan aukon yhteensulautumisprosessista.
Nyt tutkijat arvelevat, että jos vastaavia mittauksia pystytään tekemään kahden toisiinsa sulautuvan neutronitähden tai neutronitähden ja mustan aukon systeemistä, neutronitähtien sisältämästä aineesta saadaan samalla valtava määrä informaatiota.
– Silloin on mahdollista myös selvittää, sisältävätkö nämä kohteet tiheintä mahdollista aineen olomuotoa, värivankeudestaan vapautunutta kvarkkiainetta, sanoo tutkija Aleksi Vuorinen Helsingin yliopistosta.
Ensimmäinen tarkka häiriöteoreettinen ennuste
Vuorisen mukaan jotta tulevaa gravitaatioaaltodataa pystytään hyödyntämään, on olennaista, että neutronitähtien sisältämän aineen ominaisuudet ymmärretään myös teoreettisesti.
Tutkijan mukaan tämä on vaikeaa, sillä tähtien sisältämän äärimmäisen tiiviin ydinaineen ominaisuudet on koodattu vahvojen vuorovaikutusten teoriaan, kvanttiväridynamiikkaan, jonka tarkka ratkaiseminen on osoittautunut liki mahdottomaksi. Tässä työssä tärkeimpiä työkaluja ovat perinteiset ydinfysiikan menetelmät, jotka toimivat matalilla tiheyksillä, sekä ns. häiriöteoria, jolla pystytään tutkimaan äärimmäisen tiheän kvarkkiaineen ominaisuuksia.
Vuorinen onnistui kuitenkin yhteistyökumppaninsa Aleksi Kurkelan, joka toimii hiukkasfysiikan tutkimuslaitos Cernissä ja Stavangerin yliopistossa, kanssa laskemaan ensimmäisen tarkan häiriöteoreettisen ennusteen tiheän kvarkkiaineen käytökselle neutronitähtitörmäyksen kaltaisissa äärimmäisissä olosuhteissa.
Uutta työssä on se, että tutkijat pystyivät määrittämään kvarkkiaineen käytöksen paitsi tiheässä myös kuumassa systeemissä; aiemmat vastaavat laskut olettivat systeemin lämpötilan häviävän pieneksi.
Tutkijoiden mukaan lämpötilakorjausten huomioiminen on äärimmäisen tärkeää, sillä neutronitähtien yhteensulautumisprosessissa lämpötilat voivat nousta aina noin biljoonaan eli 1 000 000 000 000 Kelvin-asteeseen.
Kurkelan ja Vuorisen tulokset on julkaistu Physical Review Letters -tiedejulkaisussa. Lehden toimitus nosti Kurkelan ja Vuorisen artikkelin poikkeuksellisten töiden joukkoon.
Tulokset mahdollistavat neutronitähtien yhteensulautumisprosessin tarkan simuloimisen myös silloin, jos törmäävät tähdet sisältävät kvarkkiainetta ytimissään. Siksi tulokset edustavat Helsingin yliopiston mukaan tärkeää askelta kohti sen selvittämistä, kuinka eksoottisia aineen olomuotoja neutronitähdet pitävät sisällään.