Nytt bevis for kvarkstoffkjerner i nøytronstjerner

Kjernen i en nøytronstjerne inneholder materie med de høyeste tetthetene som nås i universet vårt. En masse tilsvarende to soler er presset sammen inne i en sfære med en diameter på 25 kilometer. Disse astrofysiske objektene kan betraktes som gigantiske atomkjerner, der tyngdekraften komprimerer kjernene deres til tettheter som overstiger ikke bare kjernene, men også nøytronene selv.

Tettheten i kjernen gjør nøytronstjerner til svært interessante astrofysiske objekter, særlig innen partikkel- og kjernefysikk.

– Noe lignende oppnås også i kjernefysiske kollisjoner ved Large Hadron Collider på CERN. I disse kollisjonene smelter nøytronene inn i en slags plasma av deres grunnleggende byggesteiner, kjent som kvarkstoff. Et av de store spørsmålene innen astrofysikk, er om kvarkstoff også kan finnes i kjernene av nøytronstjerner, forklarer førsteamanuensis Aleksi Kurkela ved Universitetet i Stavanger.

Sammen med doktorgradsstipendiat Oleg Komoltsev og forskere fra Universitetet i Helsinki står han bak forskningen.

Noe enda mer eksotisk?

I en artikkel som nylig ble publisert i Nature Communications, presenterte Komoltsev, Kurkela og resten av forskergruppen en kvantitativ vurdering av sannsynligheten for at det finnes kvarkstoffkjerner i massive nøytronstjerner. Det er første gang noen har gjort et slikt overslag. Ved å kombinere informasjon fra astrofysiske observasjoner av nøytronstjerner ved hjelp av radio-, røntgen- og gravitasjonsbølgeobservatorier, sammen med data fra partikkelakseleratorer, viste forskergruppen at eksistensen av kvarkstoffkjerner er nesten uunngåelig i de mest massive nøytronstjernene. Sannsynligheten for at det finnes kvarkstoff i disse stjernene er rundt 75-90 prosent.

– Det ser ut til at kjerner av kvarkstoff mest sannsynlig eksisterer. Hvis de ikke gjør det, virker det som om overgangen fra nøytronmaterie til kvarkstoff må være så voldsom at selv en liten dråpe kvarkstoff ville føre til at nøytronstjernen kollapser til et svart hull, forklarer Oleg Komoltsev, doktorgradsstipendiat ved UiS og en av hovedforfatterne av artikkelen.

– Selv om dette er et fascinerende scenario, ville det kreve ganske uventet atferd fra ultratett materie, fortsetter han.

Brukte partikkelakselerator

En nøkkelkomponent i å oppnå de nye resultatene var å etablere forbindelsen mellom kjernefysiske kollisjoner ved CERN og nøytronstjerner.

– Studiet av kvarkstoff i kjernefysiske kollisjoner har gitt oss mye informasjon om indikatorene på kvarkstoff, selv inne i nøytronstjerner. De teoretiske beregningene som ble brukt til å modellere kjernefysiske kollisjoner ga oss den manglende koblingen for å identifisere kvarkkjerner i nøytronstjerner, forklarer Komoltsev, som har jobbet mye med forbindelsen mellom kjernefysiske kollisjoner og nøytronstjerner.

– Med disse nye resultatene har vi tydelig etablert at noe eksotisk foregår i kjernene av nøytronstjerner. Nøyaktig hva det er, vil tiden vise, sier Aleksi Kurkela.

– Tid, sammen med observasjoner og teoretiske beregninger, legger han til.

Les også: I kjernen av en nøytronstjerne

Tekst: Kjersti Riiber