Kvarkmateriakärnor i neutronstjärnor

 

"En neutronstjärna är ett av flera möjliga slut för en stjärna. När en stjärna i slutet av sitt liv stöter bort sina yttre lager inträffar en gravitationskollaps då stjärnans kvarvarande inre delar imploderar. Om stjärnan är så stor att den kvarvarande massan motsvarar 1,4–3 solmassor sker en supernova. Återstoden blir en neutronstjärna som består av tätt packade neutroner, och övrigt material utspridda rester från supernovan". citat vikipedia.

"En kvark är inom kvantfysiken en elementarpartikel som tillsammans med en eller flera andra kvarkar bygger upp den grupp partiklar som kallas hadroner, till exempel protonen och neutronen. Så vitt man vet idag är kvarkar, tillsammans med leptoner som elektronen och neutrinon, materiens minsta byggstenar". citat vikipedia.

Neutronstjärnors kärnor består av materia med de högsta densiteter som känner till i  universum. Dess densitet är  som två solmassor av materia komprimerad inuti en sfär med en diameter på 25 km. Dessa astrofysikaliska objekt har en gravitation som komprimerar deras kärnor till densitet som överstiger de hos enskilda protoner och neutroner mångfalt.

Det gör neutronstjärnor till intressanta astrofysikaliska objekt ur partikel- och kärnfysikers synvinkel. Ett långvarigt olöst problem är om neutronstjärnors enorma centrala tryck kan komprimera protoner och neutroner till en ny fas av materia känd som kall kvarkmateria. I detta exotiska materietillstånd finns inte längre enskilda protoner och neutroner. Kvarkar och gluoner har befriats från sin instängdhet och kan  röra sig nästan fritt, beskriver Aleksi Vuorinen, professor i teoretisk partikelfysik vid Helsingfors universitet.

I en ny artikel som nyligen publicerad i Nature Communications har ett forskarlag vid Helsingfors universitet för första gången gjort en kvantitativ uppskattning av sannolikheten för existensen av kvarkkärnor i massiva neutronstjärnor. De visade, baserat på aktuella astrofysikaliska observationer att kvarkmateria är nästan oundvikligt i de tyngsta neutronstjärnorna. I en kvantitativ uppskattning visade sannolikheten på 80-90 procent säkerhet för detta.

Den återstående lilla sannolikheten för att alla neutronstjärnor ska bestå av enbart kärnmateria kräver att övergången från kärna till kvark är en stark första ordningens fasövergång, som påminner lite om den hos flytande vatten som förvandlas till is. Denna typ av snabb förändring i egenskaperna hos neutronstjärnemateria har potential att destabilisera stjärnan på ett sådant sätt att bildandet av till och med en mycket liten kärna av kvarkmateria skulle resultera i att stjärnan kollapsar till ett svart hål.

Det internationella samarbetet mellan forskare från Finland, Norge, Tyskland och USA kunde ytterligare visa hur existensen av kvarkkärnor en dag kan detta antingen helt bekräftas eller uteslutas. Nyckeln är att kunna begränsa styrkan i fasövergången mellan kärn- och kvarkmateria vilket förväntas vara möjligt när en gravitationsvågssignal från den sista delen av en binär neutronstjärnekollision en dag registreras.

Dr. Joonas Nättilä, en av huvudförfattarna till artikeln, beskriver arbetet som ett tvärvetenskapligt arbete som krävde expertis från astrofysik, partikel- och kärnfysiker samt datavetenskap. Joonas Hirvonen, doktorand som arbetar under ledning av Nättilä och Vuorinen, betonar vikten av högpresterande datorer i arbete som detta.

Inlägget är en sammanfattning av mig av en artikel från Helsingfors universitet skriven av Aleksi Vuorinen Professor i institutionen för fysik.

Bild Vikipedia en modell av en neutronstjärna.