En finsk forskargrupp har funnit starka bevis för förekomsten av exotiskt kvarkämne inuti kärnorna hos de största neutronstjärnorna som finns. De nådde denna slutsats genom att kombinera färska resultat från teoretisk partikel- och kärnfysik till mätningar av gravitationella vågor från neutronstjärnkollisioner.

All normal materia som omger oss består av atomer, vars täta kärnor, bestående av protoner och neutroner, är omgivna av negativt laddade elektroner. Dock, inuti neutronstjärnor, atomämnet är känt för att kollapsa till oerhört tät kärnämne där neutronerna och protonerna packas ihop så hårt att hela stjärnan kan betraktas som en enda enorm kärna.

Ända tills nu, det har varit oklart om kärnämnen i kärnorna i de mest massiva neutronstjärnorna kollapsar till ett ännu mer exotiskt tillstånd som kallas kvarkmaterial, där själva kärnorna inte längre existerar. Forskare från Helsingfors universitet påstår nu att svaret på denna fråga är ja. De nya resultaten publicerades i Naturfysik .

"Att bekräfta förekomsten av kvarkkärnor inuti neutronstjärnor har varit ett av de viktigaste målen för neutronstjärnfysiken ända sedan denna möjlighet först underhölls för ungefär 40 år sedan, "säger docent Aleksi Vuorinen från Helsingfors universitets fysiska institution.

Förekomst mycket troligt

Med till och med storskaliga simuleringar som körs på superdatorer som inte kan avgöra kärnämnes öde i neutronstjärnor, den finska forskargruppen föreslog ett nytt tillvägagångssätt för problemet. De insåg att genom att kombinera de senaste resultaten från teoretisk partikel- och kärnfysik med astrofysiska mätningar, det kan vara möjligt att härleda egenskaperna och identiteten hos materia som bor i neutronstjärnor.

Förutom Vuorinen, i gruppen ingår doktoranden Eemeli Annala från Helsingfors, liksom deras kollegor Tyler Gorda från University of Virginia, Aleksi Kurkela från CERN, och Joonas Nättilä från Columbia University.

Enligt studien, materia som finns inne i kärnorna i de mest massiva stabila neutronstjärnorna har en mycket närmare likhet med kvarkmaterial än med vanlig kärnämne. Beräkningarna indikerar att i dessa stjärnor, diametern på kärnan som identifieras som kvarkämne kan överstiga hälften av den för hela neutronstjärnan. Dock, Vuorinen påpekar att det fortfarande finns många osäkerheter kopplade till den exakta strukturen hos neutronstjärnor. Vad innebär det att hävda att kvarkämnen nästan säkert har upptäckts?

"Det finns fortfarande en liten men noll chans att alla neutronstjärnor består enbart av kärnämne. Vad vi har kunnat göra, dock, är kvantifiera vad detta scenario skulle kräva. Kortfattat, beteendet för tät kärnämne skulle då behöva vara riktigt märkligt. Till exempel, ljudets hastighet skulle behöva nå nästan ljusets, "Förklarar Vuorinen.

Radiebestämning från gravitationsvågsobservationer

En nyckelfaktor som bidrog till de nya fynden var framväxten av två senaste resultat inom observationsastrofysik:mätning av gravitationella vågor från en sammanslagning av neutronstjärnor och upptäckt av mycket massiva neutronstjärnor, med massor nära två solmassor.

Hösten 2017, LIGO- och Virgo -observatorierna detekterade, för första gången, gravitationella vågor som genereras av två sammanslagna neutronstjärnor. Denna observation satte en strikt övre gräns för en mängd som kallas tidvattendeformerbarhet, som mäter mottagligheten hos en kretsande stjärnstruktur för dess följeslagare. Detta resultat användes därefter för att härleda en övre gräns för radierna för de kolliderande neutronstjärnorna, som visade sig vara ungefär 13 km.

Liknande, medan den första observationen av en neutronstjärna går tillbaka till 1967, noggranna massmätningar av dessa stjärnor har bara varit möjliga under de senaste 20 åren eller så. De flesta stjärnor med exakt kända massor faller inuti ett fönster på mellan 1 och 1,7 stjärnmassor, men det senaste decenniet har bevittnat upptäckten av tre stjärnor som antingen når eller möjligen till och med överskrider gränsen för två solmassor.

Ytterligare observationer väntas

Något kontraintuitivt, information om neutronstjärnans radier och massor har redan avsevärt minskat osäkerheten i samband med de termodynamiska egenskaperna hos neutronstjärnämne. Detta har också gjort det möjligt att slutföra analysen från den finska forskargruppen i deras Naturfysik artikel.

I den nya analysen, de astrofysiska observationerna kombinerades med toppmoderna teoretiska resultat från partikel- och kärnfysik. Detta gjorde det möjligt att härleda en korrekt förutsägelse för det som kallas ekvationen för tillståndet för neutronstjärnämne, som hänvisar till förhållandet mellan dess tryck och energitäthet. En integrerad komponent i denna process var ett välkänt resultat från allmän relativitet, som relaterar statens ekvation till ett förhållande mellan de möjliga värdena för neutronstjärnans radier och massor.

Sedan hösten 2017 har ett antal nya neutronstjärnfusioner har observerats, och LIGO och Virgo har snabbt blivit en integrerad del av neutronstjärnforskning. Det är denna snabba ackumulering av ny observationsinformation som spelar en nyckelroll för att förbättra noggrannheten i de finska forskargruppens nya fynd, och för att bekräfta förekomsten av kvarkämne inuti neutronstjärnor. Med ytterligare observationer väntade inom en snar framtid, osäkerheterna i samband med de nya resultaten minskar också automatiskt.

"Det finns anledning att tro att gravitationsvågastrofysikens guldålder bara har börjat, och att vi snart kommer att bevittna många fler sådana här steg i vår förståelse av naturen, "Vuorinen jublar.