Kiistelty hiukkasteoria johdatti suomalaistutkijat ratkaisemaan neutronitähden salaisuuksia

Lähes 40 vuotta sitten kehitetyn säieteorian mukaan maailmankaikkeuden alkeishiukkaset eivät olekaan pistemäisiä, vaan pieniä värähteleviä säikeitä.

tiede
Taiteilijan näkemys neutronitähdestä.
Taiteilijan näkemys neutronitähdestä. Dana Berry / NASA

Suomalaistutkijat ovat onnistuneet selvittämään heikosti tunnettujen neutronitähtien salaisuuksia.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen tutkijat Niko Jokela ja Aleksi Vuorinen selvittivät yhdessä espanjalaisen Oviedon yliopiston tutkijoiden kanssa neutronitähtien rakennetta käyttämällä hyväkseen niin sanottua säieteoriaa.

Säieteoriaa on kuvattu fysiikan aloista vaikeimmaksi ja ylipäätään monimutkaisimmaksi ihmisen luomaksi teoriaksi.

Säieteoria on yritys yhdistää yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ns. kvanttigravitaation teoriaksi. Se liittäisi yhdeksi kokonaisuudeksi kaikki tunnetut luonnonlait: heikon ja vahvan vuorovaikutuksen, gravitaation ja sähkömagnetismin.

Säieteoriaa hyödynnetään tutkimuksessa

Säieteoriaa on opittu viime vuosina hyödyntämään kvanttigravitaation teorian ohella myös välineenä ratkaista "arkipäiväisiä" fysiikan ongelmia.

Työssä hyödynnetään säieteorian niin sanottua holografista periaatetta. Holografia antaa mahdollisuuden käsitellä ja ratkaista eräitä sellaisia hiukkas- ja ydinfysiikan ongelmia, joihin muut menetelmät eivät pure.

Jokela ja Vuorinen onnistuivat hiljattain soveltamaan holografiaa sen selvittämiseen, mistä neutronitähdet koostuvat. Tutkimustulokset julkaistaan tällä viikolla arvostetussa Physical Review Letters (siirryt toiseen palveluun) -lehdessä.

"Kvarkkipuuroa ei ehkä löydy luonnosta"

Tutkija Niko Jokela kertoo Ylelle, että maailmankaikkeudessa vain mustat aukot ovat neutronitähtiä tiheämpiä kappaleita. Jos neutronitähtiin lisäisi materiaa, romahtaisivat ne mustiksi aukoiksi.

Neutronitähden koko on 10–15 kilometriä ja massa vastaa kuitenkin noin kahta Aurinkoa.

Niko Jokela

Neutronitähtien läpimitta on tyypillisesti 10–15 kilometriä, ja massaa niillä on noin kahden Auringon verran.

Jokelan ja Vuorisen tutkimuksen hieman yllättäväkin tulos oli, että neutronitähtien sisällä ei ehkä ole lainkaan kvarkkiainetta. Löytyykö yhtään, se selvinnee jatkotutkimuksissa.

Tämä on sikäli kiinnostavaa, että aiemmin on oletettu, että juuri neutronitähdistä löytyisi tällaista hajonneista protoneista ja neutroneista koostuvaa "kvarkkipuuroa".

Säieteorian asema vahvistuu entisestään

Jokela pitää tutkimusta mielenkiintoisena myös siltä osin kuin se liittyy säieteoriaan. Teoriaa on tutkittu lähes 40 vuoden ajan, eikä vieläkään ole saatu vahvistusta, että se pitäisi kutinsa.

Säieteorian mukaan maailmankaikkeuden alkeishiukkaset eivät olisikaan pistemäisiä, kuten on oletettu. Todellisuudessa jokainen hiukkanen onkin pieni värähtelevä säie.

Jos löytyy neutronitähti, jonka massa on esimerkiksi kolme Auringon massaa, niin mallimme joutaa roskakoriin.

Niko Jokela

Säieteorialle ei ole ilmaantunut vakavasti otettavia kilpailijoita. Jokelan mukaan säieteoriasta ei kuitenkaan ole suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistäväksi ns. kvanttigravitaation teoriaksi eli "kaiken teoriaksi".

– Sellaiseen on vielä kosolti matkaa, hän sanoo.

Se, että säieteoriaa pystytään hyödyntämään tutkimuksessa, johtuukin Jokelan mukaan siitä, että se on luonteeltaan enemmän työkalupakki kuin oikea teoria.

Jokela toivoo, että heidän tutkimuksensa herättäisi jatkotutkimuksia maailmalla – ja saisi muita mukaan talkoisiin. Tähän sisältyy riskejäkin. Jokelan ja Vuorisen mukaan neutronitähden massa ei voi juuri olla suurempi kuin kahden ja puolen Auringon massa.

– Jos löytyy neutronitähti, jonka massa on esimerkiksi kolme Auringon massaa, niin mallimme joutaa roskakoriin, Jokela sanoo.