Neutronitähdet ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä esineitä, massansa suurempia kuin Aurinko, mutta tiivistyvät suhteellisen pieneksi palloksi.
Kuinka suuria neutronitähdet ovat? Aiemmat arviot säteestä vaihtelivat kahdeksasta kuudentoista kilometriin. Frankfurtin Goethen yliopiston (Saksa) astrofyysikot pystyivät määrittämään neutronitähtien koon 1,5 kilometrin tarkkuudella käyttämällä hienostunutta tilastollista lähestymistapaa, joka perustuu gravitaatioaaltojen mittaamiseen. Tutkijoiden raportti on esitetty Physical Review Letters -lehdessä.
Neutronitähdet ovat maailmankaikkeuden tiheimpiä esineitä, joiden massa on suurempi kuin Aurinko, mutta tiivistetty suhteellisen pieneksi palloksi. Neutronitähtien mitoitus on ollut yli 40 vuoden ajan ydinfysiikan Pyhä Graali, jonka löytö antaa tärkeää tietoa ydintiheyksien perustavanlaatuisesta käyttäytymisestä.
Tiedot neutronitähtien sulautumisesta saatujen gravitaatioaaltojen havaitsemisesta (GW170817) antavat tärkeän panoksen tämän ongelman ratkaisemiseen. Loppuvuodesta 2017 professori Luciano Rezzolla yhdessä opiskelijoidensa Elias Mostin ja Lucas Weichin kanssa käytti niitä jo vastauksena pitkään jatkuneeseen kysymykseen neutronitähtien enimmäismassasta ennen kuin ne romahtivat mustaan aukkoon. Ensimmäisen tärkeän tuloksen jälkeen sama tiimi aloitti professori Jurgen Schaffner-Belichin avustuksella tiukempien rajojen asettamisen neutronitähtien koolle.
Taiteellinen esitys gravitaatioaaltoja tuottaneiden neutronitähtien törmäyksestä. Luotto: Carnegie Institute for Science.
Tärkeintä on, että tilan yhtälö, joka kuvaa ainetta neutronitähtien sisällä, on tuntematon. Fyysikot ovat valinneet tilastollisia menetelmiä neutronitähtien koon määrittämiseksi kapeissa rajoissa. He laskivat yli kaksi miljardia teoreettista mallia ratkaisemalla heille Einstein-yhtälön, ja yhdistivät tämän suuren tietojoukon rajoituksiin, joita GW170817 havaitsi gravitaatioaallot.
Tämän seurauksena tutkijat määrittivät tyypillisen neutronitähden säteen 1,5 kilometrin etäisyydellä: se vaihtelee 12-13,5 kilometrin välillä, ja sitä voidaan edelleen tarkentaa havaitsemalla gravitaatioaaltoja tulevaisuudessa.
"Ongelmalla voi kuitenkin olla useita ratkaisuja", kommentoi Jurgen Schaffner-Belich. On mahdollista, että erittäin suurilla tiheyksillä aine muuttaa dramaattisesti ominaisuuksiaan ja lähestyy niin kutsuttua "vaihesiirtymistä". Tämä on samanlainen kuin mitä tapahtuu vedelle, kun se jäätyy ja muuttuu nestemäisestä kiinteäksi. Neutronitähtien tapauksessa tämä siirtymä muuntaa oletettavasti tavallisen aineen "kvarkiksi" aineeksi, mikä luo tähtiä, joilla on sama massa kuin heidän "kaksoisosallaan", neutronitähdellä, mutta paljon pienempiä ja siksi vielä pienempiä.
Mainosvideo:
Vaikka niiden olemassaolosta ei ole todisteita, ne voivat olla uskottava ratkaisu, ja Frankfurtin tutkijat ottivat tämän mahdollisuuden huomioon lisäongelmista huolimatta. Ponnistus kannatti: kaksoistähdet eivät olleet tilastollisesti todennäköisiä. Tämä on tärkeä havainto, jonka avulla tutkijat voivat nyt sulkea pois näiden erittäin kompaktien esineiden olemassaolon. Tulevat gravitaatioaaltojen havainnot paljastavat, onko neutronitähdillä eksoottisia kaksosia.