Pikkujättiläiset kiusaavat tähtitieteilijöitä
Linnunradassa on ilmeisesti noin miljardi neutronitähteä, mutta ne tunnetaan huonosti. Se, mitä niistä on tiedetty, ei ehkä pidäkään paikkaansa, sillä on löydetty neutronitähti, jonka massa on vain puolet siitä mitä sen pitäisi olla. Fysiikan lait joutuvat kovalle koetukselle näissä äärimmäisen tiheissä tähdissä.
Röntgenteleskooppi XMM-Newton on kymmenen vuoden ajan katsellut Skorpionin tähdistöä. Se on ottanut sieltä vastaan maailmankaikkeuden erikoisimpiin tapauksiin kuuluvan neutronitähden säteilyä.
Avarusteleskoopin tehtävänä on auttaa selvittämään erittäin tiheän tähden koko ja massa. Saksalaisessa Tübingenin yliopistossa työskentelevä tähtitieteilijä Victor Doroshenko on kuitenkin havainnut tutkijatovereidensa kanssa, että salaperäisinä pidetyt neutronitähdet voivat olla vielä arvoituksellisempia kuin niiden on luultu olevan.
Kaikkien mallien mukaan neutronitähden massan pitää olla vähintään 1,4 kertaa Auringon massa, mutta mittaukset ovat paljastaneet Doroshenkon tutkimusryhmän löytäneen pikkujättiläisen, joka kyseenalaistaa vanhan oletuksen.
Tähtitieteilijä Victor Doroshenko keräsi kymmenen vuotta neutronitähti HESS J1731-347:n röntgensäteilyä saadakseen selville sen massan ja halkaisijan.
Neutronitähti HESS J1731-347 painaa nimittäin vain puolet siitä mitä sen pitäisi. Havainto kyseenalaistaa neutronitähtiä koskevat perusoletukset ja vihjaa, että neutronit voivat hajota vielä pienemmiksi rakenneosiksi, joista ennen tuntemattoman tyypin edustajat koostuvat.
Aine on erittäin tiheää
Neutronitähdet ovat äärimmäisen kompakteja. Vaikka niiden halkaisija on vain noin 30 kilometriä, niiden massa voi olla kaksi kertaa Auringon massa. Pikkuruisia raskassarjalaisia syntyy 8–20 kertaa Aurinkoa raskaammista jättiläistähdistä, jotka räjähtävät supernovina käytettyään kaiken polttoaineensa.
Ennen tähden kuolemaa ydinreaktioista peräisin oleva säteily estää painovoimaa puristamasta kaikkea ainetta kokoon. Kun polttoaine loppuu, painovoimaa ei pidättele enää mikään. Tähden kaasusta muodostuva ulko-osa luhistuu joka suunnasta, ja sen tilavuus pienenee alle miljoonasosaan. Tällöin aineen olomuoto muuttuu.
Atomit hajoavat täydellisesti. Protonit nielaisevat elektronit. Syntyneet neutronit pakkautuvat hyvin pieneen tilaan ja muodostavat äärimmäisen tiheän tähden.
30 km on neutronitähden halkaisija – mutta massaa sillä voi olla kaksi kertaa Auringon verran.
Muissa tähdissä niin sanottu vahva vuorovaikutus pitää protonit ja neutronit tiiviisti koossa atomiytimessä. Koska voima kuitenkin torjuu atomiytimessä positiivisesti varautuneiden protonien välistä sähköistä hyljintää, sillä, kuinka paljon aine voi puristua kokoon, on rajansa – myös tähden keskellä vallitsevassa valtavassa paineessa.
Neutronitähden ydin koostuu ensisijaisesti sähkövarauksettomista neutroneista, jotka eivät hylji toisiaan. Siksi aine voi tiivistyä käsittämättömästi: teelusikallinen neutroniainetta painaa yli miljardi tonnia.
Neutronitähtien kokoa ja massaa on kuitenkin vaikea määrittää, sillä ne lähettävät vain röntgensäteilyä. Koska niistä ei tule näkyvää valoa, neutronitähden mittaaminen ei onnistu ilman tietoa etäisyydestä. Tutkijoiden on siksi otettava avuksi sen lähinaapurit.
Neutronitähti on liian pieni
Monet tunnetut neutronitähdet muodostavat parin tavallisen tähden kanssa. Näissä tapauksissa etäisyys näkyvään tähteen – ja samalla myös neutronitähteen – voidaan määrittää teleskoopeilla. Sen jälkeen neutronitähden koko on mahdollista laskea.
Soveltamalla menetelmää Victor Doroshenkon tutkimusryhmä onnistui määrittämään Skorpionin tähdistössä sijaitsevan HESS J1731-347:n halkaisijan ja massan.
Neutronitähteä ympäröi supernovaräjähdyksestä jäänyt sakea pölypilvi ja valaisee näkyvä tähti. Euroopan avaruusjärjestön (Esa) Gaia-luotaimen ansiosta etäisyys naapuritähteen voitiin määrittää erittäin tarkasti.
Gaia-luotain määritti etäisyyden neutronitähti HESS J1731-347:n näkyvään kumppaniin. Tiedon ansiosta neutronitähden massa oli mahdollista selvittää.
Maa ja Gaia liikkuvat puolessa vuodessa 300 miljoonaa kilometriä Auringon toisella puolella, ja luotain havainnoi jokaisesta Maan radan ääripisteestä HESS J1731-347:n näkyvää kumppania.
Mittausten mukaan näkyvä tähti – ja siten myös neutronitähti – sijaitsevat 8 000 valovuoden päässä Maasta. Välimatka oli luultua lyhyempi.
Etäisyystiedon saatuaan Victor Doroshenko pystyi selvittämään neutronitähden koon. Mitä voimakkaampaa neutronitähden lähettämä säteily on suhteessa sen etäisyyteen, sitä suurempi ja raskaampi se on. Havainnot osoittivat kuitenkin HESS J1731-347:n lähettävän heikompaa röntgensäteilyä kuin sen etäisyyden perusteella tulisi. Sen täytyy siis olla sekä kevyempi että pienempi kuin on pidetty mahdollisena.
Neutronitähdet syntyvät supernovaräjähdyksissä, joissa jättiläistähden ydin luhistuu, emmekä ymmärrä, kuinka tämä tapahtumasarja voi loihtia näin pienen neutronitähden. Victor Doroshenko, tähtitieteilijä, Tübingenin yliopisto
Saksalaistutkijat laskivat, että pikkujättiläisen massa on 0,77 Auringon massaa ja halkaisija vaivaiset 20,8 kilometriä. Tulos on räikeässä ristiriidassa astrofysiikan mallien kanssa. Niiden mukaan neutronitähtien massa on yleensä vähintään 1,4 Auringon massaa.
”Neutronitähdet syntyvät supernovaräjähdyksissä, joissa jättiläistähden ydin luhistuu, emmekä ymmärrä, kuinka tämä tapahtumasarja voi loihtia näin pienen neutronitähden”, toteaa Victor Doroshenko Tieteen Kuvalehdelle.
Neutronitähti on luhistunut jättiläinen
Skenaario 1: Jättiläisestä musta aukko
Kun tähdet, joiden massa on yli 260 Auringon massaa, räjähtävät supernovana, ydin luhistuu suoraan mustaksi aukoksi, jonka massa voi olla 50 Auringon massaa. Tähdistä, joiden massa on 20–100 Auringon massaa, syntyy musta aukko, joka vastaa massaltaan 2,6:ta Aurinkoa.
Skenaario 2: Antiaine hävittää jättiläisen
Kun jättiläistähti, jonka massa on 100–260 Auringon massaa, räjähtää supernovana, äärimmäinen kuumuus muuttaa ytimessä olevaa ainetta antiaineeksi. Siksi räjähdyksestä tulee niin raju, että koko massa sinkoutuu avaruuteen ja tähti tuhoutuu täydellisesti.
Skenaario 3: Ydin jauhautuu neutroneiksi
Kun painovoima romahduttaa jättiläistähden, jonka massa on 8–20 Auringon massaa, rautaydin luhistuu ja puristuu kokoon. Syntyy tiheä neutronitähti, jonka massa on 1,4–2,1 Auringon massaa. Ulko-osa sinkoutuu avaruuteen supernovaräjähdyksessä.
Skenaario 4: Pikkujättiläinen yllättää
Neutronitähti HESS J1731-347:n massa on hämmästyttävästi vain 0,77 Auringon massaa. Tähdet, joiden massa on 1–8 Auringon massaa, paisuvat yleensä punaisiksi jättiläisiksi, ennen kuin ne tiivistyvät valkoisiksi kääpiöiksi ja kuolevat.
Jos malleja oikein venytetään, neutronitähdet, joiden massa on vain 1,1 Auringon massaa, näyttävät mahdollisilta. HESS J1731-347 jää kuitenkin massaltaan liian kauas teoreettisesta alarajasta.
Selitys voi löytyä kvarkeista
Paradoksi on poikinut uuden teorian neutronitähtien hämärästä olemuksesta. Sen perusoletuksiin kuuluu tähden ytimen tiivistyminen superraskasta neutroniainetta tiheämmäksi. Se vaatisi neutronien täydellistä hajoamista ytimessä. Silloin syntyisi vapaiden kvarkkien meri, jonka tiheys olisi käsittämättömän suuri.
”Jos tavallinen aine muuttuu yhtäkkiä kvarkkiaineeksi neutronitähden ytimessä, syntyy räjähdys, joka sinkoaa neutroneja ulko-osasta avaruuteen. Silloin tähti menettää massaa. Tällainen tapahtuma voisi selittää HESS J1731-347:n hämmästyttävän pienen massan”, toteaa Victor Doroshenko.
Ytimen neutroneista voi tulla pioneiksi kutsuttuja hiukkasia, jotka koostuvat kvarkista ja antikvarkista. Normaalisti pionit räjähtävät sekunnin murto-osassa, mutta neutronitähden ytimessä vallitsevassa valtavassa paineessa ne voivat säilyä. Kun hiukkasten kvanttitila on täysin vakaa, ydin voi käytännössä toimia yhtenä isona ja äärimmäisen massiivisena superatomina.
Kolmas vaihtoehto on se, että ydin muuttuu hyperoneiksi, jotka ovat eräänlaisia muuntuneita neutroneja. Teoriassa ne voivat pakkautua vielä tiiviimmin kuin tavalliset neutronit.
3 vaihtoehtoista neutronitähden sisusta
Neutronitähden ohuen kaasukehän alla on atomiytimistä ja neutroneista koostuva kuori. Suurin arvoitus on ydin. Siellä aine voi esiintyä erikoisissa olomuodoissa, jotka eivät ole mahdollisia missään muualla universumissa.
Tavoitteena kurkistus tähteen
Tähtitieteilijät aikovat yrittää selvittää apuvälineillään, mitä neutronitähden sisällä tapahtuu ja kuinka aine käyttäytyy maailmankaikkeuden suurimmassa paineessa.
Kun neutronitähtien massan ja koon välinen suhde pystytään määrittämään tarkemmin, saadaan luotettavampaa tietoa niiden sisärakenteesta.
Ei tiedetä, onko kvarkkitähtiä olemassa. Niiden olemassaolo voisi kuitenkin selittää havaitsemamme tähden pienen massan. Victor Doroshenko, tähtitieteilijä, Tübingenin yliopisto
Selvitystyössä HESS J1731-347 on avainasemassa. Useimmat neutronitähdet pyörähtävät ympäri monta sataa kertaa minuutissa. Lisäksi niille on ominaista voimakas magneettikenttä. HESS J1731-347 on kuitenkin rauhallisempi. Siksi mittaustulokset ovat varmempia ja laskutehtävät helpompia.
Esa suunnittelee lähettävänsä vuonna 2035 suuren Athena-nimisen röntgenteleskoopin, joka pystyy vangitsemaan paljon enemmän neutronitähden säteilyä. Se parantaa tarkkuutta.
Esa päättää lähiaikoina, lähetetäänkö suuri Athena-niminen röntgenteleskooppi vuonna 2035. Athena voisi auttaa määrittämään neutronitähden massan ja koon paljon tarkemmin kuin XMM-Newton.
Riippumatta siitä, paljastavatko mittaukset neutronitähden ytimen koostuvan tavallisista neutroneista, kvarkkiaineesta, massiivisesta superatomista tai muuntuneista neutroneista, kyse on suurimmasta tiheydestä, jonka maailmankaikkeuden aine voi saavuttaa.
”Jos aine painuu vielä enemmän kokoon, tuloksena on musta aukko”, selittää Victor Doroshenko.
Nimenomaan tämä kriittinen piste, jossa ratkeaa, tuleeko supermassiivisesta aineesta neutronitähti vai avaruuden äärimmäistä kaareutumista ilmentävä musta aukko, kiinnostaa tutkijoita. Se voi paitsi paljastaa, millainen neutronitähtien hämärä ydin on, myös yhdistää atomeja ja niitä pienempiä hiukkasia kuvaavan kvanttimekaniikan ja painovoimaa ja avaruutta selittävän suhteellisuusteorian toisiinsa kaiken teoriaksi.
