Kuumat paikat
Neutronitähdet ovat tiheimpiä tunnettuja kappaleita (jos mustia aukkoja ei lasketa kappaleiksi). Niiden massa on noin yksi tai kaksi Auringon massaa ja säde noin kymmenen kilometriä.
Tuohon kymmeneen kilometriin mahtuu paljon: neutronitähdillä on ilmakehä, meri, pintakerros ja ydin. Mitä syvemmälle menee, sitä raskaammista atomiytimistä aine koostuu ja sitä enemmän niissä on neutroneita. Kerrosten rakennetta ei vielä tunneta tarkkaan.
Yksi kiinnostava kysymys on se, mitä tapahtuu neutronitähden ytimessä: rakentuuko sekin atomiytimistä, onko siellä muitakin kvarkeista koostuvia hiukkasia tai peräti vapaita kvarkkeja? Helsingissä Joonas Nättilä on neutronitähtien astrofysiikan mallintamisen asiantuntija ja Aleksi Vuorinen niihin liittyvän hiukkasfysiikan asiantuntija.
Viime vuosina neutronitähdistä on tehty paljon uusia havaintoja sekä gravitaatioaaltojen että sähkömagneettisen säteilyn avulla.
Gravitaatioaaltodetektorit LIGO, Virgo ja KAGRA ovat havainneet neutronitähtien törmäyksiä vuodesta 2017 asti. Viime vuosina pyörivien neutronitähtien lähettämiä radiosignaaleja mittaamalla on saatu todistusaineistoa gravitaatioaalloista, joita kenties lähettävät galaksien keskustojen erittäin raskaiden mustien aukkojen parit.
Kumpikaan havaintokanava ei kuitenkaan kerro neutronitähdistä paljoa. Mitä kiinteämpiä neutronitähdet ovat, sitä isompia ne ovat ja sitä enemmän ne siksi venyvät tullessaan lähelle toisiaan. Mitä enemmän ne venyvät, sitä isompi on niiden välinen kitka, joten sitä nopeammin ne yhtyvät. Niinpä LIGOn, Virgon ja KAGRAn mittaamista gravitaatioaalloista voi mitata tätä venyvyyttä, mutta ei neutronitähdistä paljon muuta. Käytännössä tästä on sitä paitsi vain yksi hyvä mittaus: vuonna 2017 tehty ensimmäinen havainto on jäänyt myös parhaaksi.
Sen sijaan kansainväliseen avaruusasemaan kiinnitetty röntgenteleskooppi NICER ja Maata itsekseen kiertävä XMM-Newton-teleskooppi ovat tehneet säteilyä lähettävistä pyörivistä neutronitähdistä eli pulsareista tarkkoja mittauksia. Mainitsin vuoden 2018 alussa, että NICERin ensimmäisiä tuloksia odotetaan pian, nyt niitä on kertynyt.
Väitöskirjaa tekevä Lucien Mauviard astrofysiikan ja planeettatutkimuksen instituutista Toulousesta Ranskasta piti aiheesta toissaviikolla Helsingin yliopiston astrofysiikan seminaarin. Mauviard tutkii nopeasti pyöriviä neutronitähtiä NICERin ja XMM-Newtonin datan avulla.
Koska tähdet pyörivät ja pyörimismäärä säilyy, tähden pyörimisnopeus kasvaa kun se puristuu neutronitähdeksi. Neutronitähden pyörimisnopeus kasvaa myös, jos se kerää ainetta seuralaisesta. Nopeimpien neutronitähtien päivä kestää vain sekunnin tuhannesosan, eli ne pyörivät akselinsa ympäri noin tuhat kertaa sekunnissa.
Neutronitähdet voivat lähettää radioaaltoja, röntgensäteitä ja gammasäteitä. Nämä ovat nimiä sähkömagneettisen säteilyn eri aallonpituuksille. Radioaallot ovat matalaenergisiä, röntgensäteet ja gammasäteet korkeaenergisiä.
Jos neutronitähdellä on seuralainen, neutronitähden lähettämien radioaaltojen taajuus muuttuu tähtien kiertäessä toisiaan. Tästä voidaan määrittää neutronitähden massa erittäin tarkasti. Toinen tärkeä tieto neutronitähdistä on niiden säde. Aineen käytös neutronitähtien eri kerroksissa määrittää sen, kuinka raskaita ja isoja ne voivat olla. Mitä kovempaa aine on, sitä isompi tähti voi olla.
Säteen mittaaminen on vaikeampaa. Jotta pystyttäisiin erottelemaan eri mallit koostumukselle toisistaan, pitäisi säde selvittää muutaman sadan metrin tarkkuudella.
Tähän ongelmaan Mauviard on pureutunut. Neutronitähtien pinnan lämpötila on noin satatuhatta astetta, paitsi kuumissa täplissä, joiden lämpötila on noin miljoona astetta. Hiukkasfysiikan mittakaavassa pinta on siis aika kylmä. Hiukkaskiihdytin LHC:n törmäyksissä ihminen on lämmittänyt ainetta miljoona kertaa korkeampiin lämpötiloihin.
Sen sijaan neutronitähden magneettikenttä voi olla miljardi kertaa voimakkaampi kuin mitä ihminen on teknologiallaan saanut aikaan. Taustalla on samanlainen ilmiö kuin pyörimisnopeuden kasvussa: kun tähti romahtaa ja magneettikenttä puristuu pienempään tilaan, sen voimakkuus kasvaa. Magneettikentästä voi tulla niin vahva, että se synnyttää elektroni-positroni-pareja. Alas varistessaan tällaiset hiukkassuihkut saavat aikaan kuumia täpliä neutronitähden pinnalla.
Kun tähti pyörii, Maassa mittaamamme röntgensäteet muuttuvat sekunnin tuhannesosan nopeudella. Signaallista voidaan päätellä millaisia täpliä tähden pinnalla on sekä tähden massa ja säde. Havaintolaitteella pitää olla hyvä ajoitustarkkuus. Koska neutronitähdet ovat tuhansien valovuosien päässä, ne ovat himmeitä, joten detektorilla pitää myös olla iso pinta-ala ja pitkä havaintoaika fotonien keräämiseen. NICER-teleskooppi on suunniteltu juuri tähän.
Neutronitähdissä aika-avaruus on niin voimakkaasti kaareutunut eli gravitaatio on niin voimakasta, että pitää ottaa huomioon yleinen suhteellisuusteoria. Neutronitähtien pinnalta nousevat röntgensäteet menettävät 10%-25% energiastaan punasiirtymän takia. Tämä on isompi punasiirtymä kuin mitä valo kokee maailmankaikkeuden laajenemisen takia miljardissa vuodessa. Auringossa vastaava energian menetys on vain miljoonasosa, Maapallolla miljardisosan kymmenesosa. Neutronitähden vahva gravitaatio myös taivuttaa valoa niin paljon, että pystymme näkemään samaan aikaan neutronitähden etupuolen ja osan takapuolta, kun takaa lähtevä valo taipuu takaisin kohti tähteä.
Toistaiseksi vain neljästä pulsarista on tarpeeksi tarkkaa dataa, joka on analysoitu huolella. Mauviard on keskittynyt yhteen näistä, kuuden tuhannen valovuoden päässä majailevaan pulsariin JO614-3329. Yhdessä muun tutkimusryhmän kanssa hän on osoittanut, että tässä pulsarissa on kaksi kuumaa täplää sekä määrittänyt sen massan 4% tarkkuudella ja säteen 10% eli kilometrin tarkkuudella.
Tarkkuus on lähellä sitä mitä neutronitähden ytimen rakenteen selvittämiseen tarvitaan, mutta ei riitä maaliin. Itse asiassa uudet havainnot ovat hieman siirtäneet aiempia arvoja ja siksi höllentäneet rajoja sille, millaista ainetta ytimessä voi olla, sen sijaan että ne olisivat rajoittaneet sitä enemmän. Pian tarkkaan syynättyjen pulsareiden lukumäärä kasvaa neljästä kuuteen, ja lisää voitaneen mitata. Kenties gravitaatioaaltojen avulla voidaan myös mitata neutronitähtien pinnalla olevia millimetrin korkuisia vuoria.
Gravitaatioaaltohavainnoissa on hiljattain siirrytty muutamasta kohteesta satojen havaintojen tilastolliseen tarkasteluun, ja kosmologiassa galaksien ja muiden mittauskohteiden määrät lasketaan miljoonissa. Tähän verrattuna neutronitähtien tutkimuksessa on vielä jotain vanhan ajan käsityön henkeä.