Sammansmältningar av neutronstjärnor belyser kvarkmateriers värld

 

Neutronstjärnor består av resterna av gamla stjärnor som har fått slut på sitt kärnbränsle och genomgått en supernovaexplosion och en efterföljande gravitationskollaps. Även om kollisioner eller binära sammanslagningar av neutronstjärnor  är sällsynta kan dessa våldsamma händelser störa själva rumtiden och ge gravitationsvågor som kan upptäckas på jorden fast de skett hundratals miljoner ljusår bort.

Under en neutronstjärnkollision ändrar stjärnorna snabbt form och värms upp, något som orsakar förändringar i materiens tillstånd. Sammanslagningen kan även ge upphov till kvarkmateria, där elementarpartiklarna kvarkar och gluoner, vanligtvis inneslutna i protoner och neutroner, frigörs och börjar röra sig fritt. 

Professor Aleksi Vuorinen vid Helsingfors universitet förklarar hur vår förståelse för enskilda neutronstjärnors egenskaper har förbättrats avsevärt under de senaste åren. Men vi förstår fortfarande inte helt vad som händer vid den högsta densitet som uppnås eller i de dynamiska miljöer som uppstår vid kollisionerna.

– Att beskriva neutronstjärnkollisioner är utmanande för teoretiker eftersom alla konventionella teoretiska verktyg verkar bryta ihop på ett eller annat sätt i dessa tidsberoende och extrema system, beskriver Vuorinen.

Ett nyckelbegrepp i studiet av neutronstjärnkollisioner är bulkviskositeten innebärande att neutronstjärnmateria av partikelinteraktioner som motstår flödet i systemet. Forskare vid Helsingfors universitet har tillsammans med sina kollegor utomlands lyckats bestämma viskositeten hos tätpackad kvark genom att kombinera två olika teoretiska metoder. En av metoderna som användes baserades på strängteorin medan den andra bygger på störningsteorin som är en klassisk metod inom kvantfältteori.

I allmänhet beskriver man olik viskositet som hur "klibbigt" flöde av en given vätska är. Det mest kända exemplet är skjuvviskositet  vars effekter kan ses i flödet av ämnen som honung och vatten: honung flyter långsamt eftersom det har hög viskositet, medan vatten flyter snabbt på grund av dess lägre viskositet.

Bulkviskositet å andra sidan, beskriver energiförlust i ett system som genomgår radiella svängningar vilket innebär att dess densitet ökar och minskar  periodiskt. Det är  sådana svängningar som sker då neutronstjärnor sammanslås vilket gör bulkviskositet till den mest centrala transportkoefficienten i neutronstjärnkollisioner.

I en studie som nyligen publicerades i Physical Review Letters bestämdes viskositeten hos kvarkmateria på två sätt: med hjälp av den så kallade AdS/CFT-dualiteten, vanligen kallat holografi och störningsteorin.

Inom holografi bestäms egenskaperna i starkt kopplade kvantfältteorier genom att studera gravitationen i ett högre dimensionellt krökt rum. När det gäller kvarkmateria  att systemet  beskrivas vid de densiteter och temperaturer som uppkommer vid neutronstjärnkollisioner genom växelverkan inom kvantkromodynamik (QCD) som är teorin om den starka kärnkraften som i detta sammanhang är mycket stark. På grund av tekniska skäl kan metoden dock inte direkt beskriva QCD utan man undersöker snarare detta genom den  fenomenologiska metoden. 

Den andra metoden som används i  arbetet, störningsteorin, är kanske det mest använda verktyget inom teoretisk partikelfysikforskning. I detta tillvägagångssätt bestäms fysiska storheter som potensserier i kopplingskonstanter i en teori som beskriver styrkan i interaktionen. Denna metod kan beskriva QCD direkt men är bara tillämpbar vid densitet långt över de som finns i neutronstjärnor.

Till forskarnas glädje ledde de två metoderna till mycket likartade resultat vilket förstärkte teorin att viskositeten i kvarkmateria når sin topp vid betydligt lägre temperaturer än i kärnmateria.

– Resultaten kan bli till hjälp vid tolkningen av framtida observationer. Vi kan till exempel leta efter viskösa effekter i framtida gravitationsvågsdata och frånvaron av sådana vilket kan avslöja om kvarkmateria bildas vid neutronstjärnkollisioner beskriver universitetslektor Niko Jokela.

Forskningen genomfördes i ett internationellt samarbete med starkt finländskt deltagande i gruppen på nio författare i studien  där professor Aleksi Kurkela från Stavangers universitet gruppledare var Matti Järvinen från Asia Pacific Center for Theoretical Physics i Sydkorea och postdoktoral forskare Saga Säppi från Münchens tekniska universitet ingick.

Bild https://www.helsinki.fi/en/news Under en neutronstjärnkollision ändrar stjärnorna snabbt form och värms upp vilket orsakar förändringar i materiens tillstånd. Sammanslagningen kan också ge upphov till kvarkmateria där elementarpartiklarna kvarkar och gluoner, vanligtvis inneslutna i protoner och neutroner frigörs och börjar röra sig fritt.

Enligt forskningsresultat i kvarkmateria når bulkviskositetensin topp vid betydligt lägre temperaturer än i kärnmateria. (Bild: University of Warwick/Mark Garlick)