I kjernen av en nøytronstjerne

Forskere ved Institutt for matematikk og fysikk ved Universitetet i Stavanger har funnet en sammenheng mellom partikkelfysikkeksperimenter, utført for eksempel ved Large Hadron Collider ved CERN, og astrofysikken til nøytronstjerner. I en artikkel som nylig ble publisert i tidsskriftet Physical Review Letters, viser forskerne hvordan den etablerte teorien om partikkelfysikk, standardmodellen, kan brukes til å forutsi materialegenskapene til kjernene til nøytronstjerner. 

Doktorgradsstipendiat Oleg Komoltsev, hovedforfatteren av artikkelen i Physical Review Letters, oppsummerer artikkelen slik:

– Å utføre beregninger i standardmodellen for å beskrive nøytronstjerner er veldig vanskelig, faktisk nesten umulig. Men det viser seg at 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. I artikkelen vår var viser vi hvordan resultatene av disse beregningene likevel kan brukes til å lage robuste beregninger om «virkelige» astrofysiske nøytronstjerner, sier Komoltsev. 

Hva er nøytronstjerner?

Fysikk studerer egenskapene til materie under forskjellige forhold; hvordan materialer oppfører seg i magnetiske felt, når de varmes opp, når de komprimeres. Mens mange eksperimenter kan gjøres i forskningslaboratorier, finnes ikke det mest ekstreme stoffet i "jordiske" laboratorier. Da må vi se opp, til himmelen. Materien finnes i restene av gamle stjerner, såkalte nøytronstjerner.

Det kan argumenteres for at nøytronstjerner er de mest eksotiske objektene i universet. Tyngdekraften i disse stjernene er så sterk at den nesten komprimerer dem tett nok til å danne et sort hull. Og det er dette som gjør dem så interessante. Mens sorte hull skjuler sitt indre bak horisonten, er det mulig å ta en titt inn i kjernene til nøytronstjerner.

I kjernene til disse stjernene bringes materie til så ekstreme forhold at strukturen til materien slik vi kjenner den begynner å gå i oppløsning. Går man noen 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". Men materien i stjernens kjerne kan være noe langt mer eksotisk.

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. Og 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. Faktisk vil det å prøve å trekke en enkelt kvark ut av et nøytron kreve kraft tilsvarende vekten til en afrikansk elefant.

Mens kvarker har en tendens til å gjemme seg i "normale forhold", er partikkelfysikere eksperter på å skape forhold som er langt fra normale. I løpet av de siste tiårene har forskere vært i stand til å knuse store ioner, som gull- og blykjerner, kjerner som beveger seg nesten med lysets hastighet. I disse kollisjonene er påvirkningen så stor at kjernefysisk materie brytes ned til en eksotisk suppe av elementærpartikler. Dette kalles kvarkmaterie. Denne materiens eksotiske egenskaper 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 ved å studere den grunnleggende teorien om sterke kjernefysiske interaksjoner, kalt kvantekromodynamikk.

Detektivhistorie

Det har vært foreslått i lang tid at noe som ligner kvarkstoffet kan bli funnet dypt i kjernene til nøytronstjerner. Men hvordan ser du inn i en kjerne av en nøytronstjerne? Det er her detektivhistorien begynner. Mens vi i Norge er vant til å studere det som ligger under overflaten med boring og sonarer, må vi ty til mindre direkte midler når vi studerer fjerne objekter som nøytronstjerner. Astronomer og teoretiske fysikere, inkludert forskningsgruppen ved Universitetet i Stavanger, jobber sammen for å samle observasjoner av stjerner og komplekse teoretiske beregninger, alle informasjonskilder, for å danne et helhetlig bilde av nøytronstjernenes indre.

I løpet av de siste årene har vår evne til å observere nøytronstjerner gjort store framskritt. En eksplosjon av astrofysiske observasjoner, inkludert radio- og røntgenteleskoper, gir oss et omfattende bilde av hvordan nøytronstjerner ser ut. De har blant annet kunnet måle diameteren på stjerner som ligger 5000 lysår unna ved hjelp av NICER (Neutron Star Interior ExploreR), et røntgenteleskop montert på den internasjonale romstasjonen. Forskerne fant ut at siden nøytronstjerner er så nærme å være sorte hull, 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 kommer i par, der de går i bane rundt hverandre. Men i motsetning til banene til planeter, er disse banene ikke stabile på grunn av de særegne måtene tyngdekraften fungerer på 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 fantastiske framskritt innen teknologi i gravitasjonsbølgeobservatorier, har vi siden 2017 kunnet følge kollisjoner av nøytronstjerner ved å se på mønstrene gravitasjonsbølgene fra kollisjonen lager. Forskere ved UiS jobber tett med Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) for å analysere data og arbeide med neste generasjons gravitasjonsbølgedetektorer.

Teori og observasjon

For å få observasjonene og partikkelfysikkeksperimentene til å fortelle en felles historie om kjernene til nøytronstjernene, er det én siste del som mangler, nemlig 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 sier 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.

Aleksi Kurkela fortsetter:

– Det er her Olegs arbeid kommer inn. I artikkelen vår kunne Oleg vise at de fleste av modellene som brukes til å beskrive nøytronstjerner er inkonsistente med vår kunnskap 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. Akkurat nå vet vi ikke.

Store framskritt

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. Vi forventer også å se flere nye nøytronstjernesammenslåinger med den fjerde kjøringen av Virgos gravitasjonsbølgedetektorer, sier Kurkela.

I tillegg er mange nye observatorier under planlegging. Ved CERN og andre laboratorier, som GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) Darmstadt, gjøres 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 fortsette arbeidet, avslutter Kurkela.

Tekst: Kjersti Riiber