Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Stavanger - les mer.
En nøytronstjerne er liten, ofte rundt bare 20 kilometer i diameter, men med en tetthet i masse på rundt 1 milliard tonn per kubikkcentimeter.(Illustrasjon: ART-ur / Shutterstock / NTB)
Hva er i kjernen av en nøytronstjerne?
Forskere ved Universitetet i Stavanger har klart å beregne materie som er ufattelig tett.
Universitetet iStavanger
KjerstiRiiberrådgiver, uis
Publisert
Nøytronstjerner er resultatet av en supernovaeksplosjon. En stor sol går over i en sluttfase og blir svært liten og kompakt. Massen er nå i hovedsak nøytroner.
Om vår sol ble en nøytronstjerne, ville diameteren bli på rundt tre mil, ifølge Store norske leksikon.
Forskere ved Universitetet i Stavanger har nå funnet en sammenheng mellom eksperimenter i partikkelfysikk.
Å utføre beregninger i den såkalte standardmodellen som fysikere bruker for å beskrive nøytronstjerner er veldig vanskelig, faktisk nesten umulig.
– Vi kan utføre våre beregninger i et område hvor materien er opptil ti ganger tettere enn i nøytronstjerner. Denne tettheten eksisterer ikke noe sted i universet, forklarer Oleg Komoltsev som tar doktorgrad ved Universitetet i Stavanger.
Selv om en slik tetthet ikke finnes i noe virkelig materie, så mener forskerne at deres metode likevel kan brukes til å lage robuste beregninger om virkelige astrofysiske nøytronstjerner.
De har altså klart å beregne hvordan den etablerte teorien om partikkelfysikk, standardmodellen, kan brukes til å forutsi materialegenskapene til kjernene til nøytronstjerner.
Deler av et atommodelldiagram.(Illustrasjon: sousou07 / Shutterstock / NTB)
Hva er nøytronstjerner?
Tyngdekraften i de små nøytronstjernene er så sterk at all masse blir så komprimert at det nesten dannes et sort hull. Dette gjør dem så interessante for fysikerne som studerer universets byggesteiner og kreftene som virker mellom disse.
Mens sorte hull skjuler sitt indre bak horisonten, er det mulig å ta en titt inn i kjernene til nøytronstjerner.
I kjernen av nøytronstjerner er forholdene så ekstreme at materie går i oppløsning. Få meter inn i stjernen bryter det enorme trykket atomene ned til et gitter av kjerner som lever i et hav av elektroner. Går man dypere, en kilometer eller så, blir selve atomkjernene slått sammen.
Det indre av nøytronstjernen ligner en gigantisk kjerne, hovedsakelig laget av nøytroner. Dette er opprinnelsen til navnet «nøytronstjerne».
Grunnleggende byggeklosser
Siden 1950-tallet har forskere ved CERN, den europeiske organisasjonen for atomforskning, prøvd å finne ut hva som er de grunnleggende byggesteinene i materie.
Det viser seg at det ikke er nøytroner.
Tiår med eksperimentering har vist at nøytroner er laget av andre partikler. Disse elementærpartiklene, kvarkene og gluonene som normalt gjemmer seg inne i nøytronene, er sjelden å se. De er stengt inne i nøytroner, fanget av den sterke kjernekraften, en av naturens fire grunnleggende krefter.
Partikkelfysikere er eksperter på å skape forhold som er langt fra normale. Forskere har for lengst klart å knuse store ioner, som gull- og blykjerner, kjerner som beveger seg nesten med lysets hastighet.
Annonse
I disse kollisjonene er påvirkningen så stor at kjernefysisk materie brytes ned til en eksotisk suppe av elementærpartikler.
Dette kalles kvarkmaterie.
Kvarkmaterie studeres ved CERN og andre akseleratorlaboratorier rundt om i verden. I Norge deltar partikkelfysikere fra Universitetet i Oslo og Universitetet i Bergen i CERN-eksperimentene.
Ved Institutt for matematikk og fysikk ved Universitetet i Stavanger er fysikerne opptatt med å modellere disse eksperimentene. De studerer den grunnleggende teorien om sterke kjernefysiske interaksjoner, kalt kvantekromodynamikk.
Detektivhistorie
Forskere ser for seg at noe som ligner kvarkstoffet kan bli funnet dypt i kjernene til nøytronstjerner.
Men hvordan er det mulig å se inn i en kjerne av en nøytronstjerne?
Det er her detektivhistorien begynner. Astronomer og teoretiske fysikere samler observasjoner av stjerner og komplekse teoretiske beregninger, alle informasjonskilder, for å danne et helhetlig bilde av nøytronstjernenes indre.
Forskere har de siste årene gjort framskritt innen observasjon av nøytronstjerner gjort store framskritt. De kan måle diameteren på stjerner som ligger 5000 lysår unna ved hjelp av et røntgenteleskop montert på den internasjonale romstasjonen, kalt NICER - Neutron Star Interior ExploreR.
Siden nøytronstjerner nesten er sorte hull, så bøyes lys rundt dem, noe som gjør det mulig å se baksiden av stjernen. Jo mindre diameter, jo mer bøying, og jo mer overflate på baksiden blir synlig.
Gravitasjonsbølger
Noen nøytronstjerner er par som går i bane rundt hverandre.
Annonse
I motsetning til banene til planeter, er ikke disse banene stabile på grunn av tyngdekraften hos nøytronstjerner. Stjernene beveger seg sakte, men jevnt nærmere hverandre; fastlåst i en spiral.
Skjebnen er til slutt å ende opp i en katastrofal kollisjon som er så enorm at den forstyrrer selve rom-tiden, og sender enorme mengder energi ut i rommet i form av såkalte gravitasjonsbølger.
Når gravitasjonsbølgene når jorden, er de nesten umulige å oppdage. Men takket være framskritt innen teknologi i gravitasjonsbølgeobservatorier, har forskere siden 2017 kunnet følge kollisjoner av nøytronstjerner ved å se på mønstrene gravitasjonsbølgene fra kollisjonen lager.
For å få observasjonene og partikkelfysikkeksperimentene til å fortelle en felles historie om kjernene til nøytronstjernene, mangler teorien som samler alle observasjonene.
– Vi utfører teoretiske studier som søker etter indikatorene for tilstedeværelse av kvarkmaterie i nøytronstjernene. Dette er en enorm teoretisk utfordring og krever samspill mellom moderne verktøy som spenner fra generell relativitetsteori til kvantemekanikk til moderne maskinlæringsteknikk, forklarer førsteamanuensis Aleksi Kurkela, veileder for Komoltsev.
Oleg Komoltsev forteller at forskergruppen ved Universitetet i Stavanger har gjort store framskritt i beregninger innen kvantekromodynamikk.
– Spørsmålet er imidlertid hvordan du kobler våre teoretiske beregninger til stjernenes fenomenologi, sier han.
Aleksi Kurkela sier at forskingen til Oleg Komoltsev viser at de fleste av modellene som brukes til å beskrive nøytronstjerner er inkonsistente med kunnskapen om partikkelfysikk.
– Dette lar oss utføre nye beregninger om egenskapene til kjernene, noe som bringer oss et viktig skritt nærmere vårt store mål om å til slutt oppdage kvarkstoff i nøytronstjerner. Eller vise at det ikke er der, sier Kurkela.
Store framskritt
Annonse
Om det finnes kvarkstoff i nøytronstjerner har de ennå ikke svar på. Kurkela forventer flere gjennombrudd i årene som kommer.
– Antall observasjonskampanjer øker. Det gir oss mer data å jobbe med. NICER har nå målt radiene til to nøytronstjerner, og mange flere vil bli målt i årene som kommer, sier Kurkela.
Forskerne forventer også å se flere nye nøytronstjernesammenslåinger med den fjerde kjøringen av LIGO/Virgos gravitasjonsbølgedetektorer.
I tillegg er mange nye observatorier under planlegging. Ved CERN og andre laboratorier, som GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) Darmstadt, oppgraderes eksperimenter for å forstå kvarkmateriet bedre.
– Hvis teoretikere kan holde tritt med dette tempoet, vil vi kanskje vite mer om hva som skjer på det mest eksotiske stedet i universet innen kort tid. Og her ved instituttet vårt vil vi absolutt fortsette arbeidet, sier Kurkela.
