Vi består alla av stjärnstoft producerade i stjärnor och kosmiska explosioner. De allra tyngsta grundämnena, så som guld, har man sett bevis på bildas när två neutronstjärnor krockar – i en kilonova. Men neutronstjärnorna själva bär fortfarande på en hel del mysterier. Nu har forskare vid Chalmers tekniska högskola lyckats vaska fram ytterligare ledtrådar till dessa extrema slutstadier av stjärnor.
– En neutronstjärna befinner sig i en sorts jämvikt mellan gravitationell kollaps och ett motverkande tryck från neutronerna, säger Christian Forssén, professor vid institutionen för fysik på Chalmers och medförfattare till studien som publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Physics.
Men för att få en bättre förståelse kring egenskaperna hos dessa massiva objekt, måste man ha koll på krafterna som håller samman dem.
– Hur högt trycket är i en neutronstjärna kommer från egenskaper hos den starka kraften, och blir alltså direkt avgörande för storleken på en neutronstjärna, men också för andra egenskaper som ljudhastigheten i neutronstjärnmateria, förklarar Forssén.
Neutronstjärnor är objekt som bildas när tunga stjärnor, med åtminstone 10 gånger mer massa än vår egen sol, pressas samman till ett klot som är som en mindre svensk stad, ungefär 10 kilometer i diameter. Detta ger så pass högt tryck att elektroner pressas ur sina banor och smälter samman med protonerna i atomkärnan. Kvar blir en tät massa av neutralt laddade partiklar, neutronerna.
Den starka kraften är en utav de fyra grundkrafterna som finns i naturen, där de två vanligaste i dagligt tal är gravitationen och den elektromagnetiska kraften, som båda är relativt svaga och verkar på långa avstånd. De två andra doldisarna är den svaga och den starka kraften, som båda verkar på extremt korta avstånd – inuti atomkärnorna. Den starka kraften håller samman protonerna och neutronerna i atomkärnan, men påverkar även neutronerna i neutronstjärnor, vilket hindrar dem från att kollapsa under sin egen massa.
Men den starka kraften är svår att räkna på, framförallt för de tyngsta och mest neutronrika atomkärnorna, såsom bly.
– Det är inte helt enkelt att mäta hur neutronerna är fördelade i en atomkärna. Teoretiskt är det också svårt eftersom man behöver förstå sig på hur den starka kraften skiljer sig mellan neutroner och protoner, förklarar han.
Nu har man äntligen gjort framsteg – i den teoretiska studien som Forssén medverkat i har man lyckats lära sig mer om sambandet mellan neutroner och den starka kraften, framförallt genom att kolla på det absoluta ytskiktet, det så kallade neutronskinnet, av bly-208, en isotop med ett relativt överflöd av neutroner jämfört med protoner.
– Våra resultat visar att den starka kraften ger upphov till ett lägre tryck mellan neutroner än man kunde visa tidigare, och detta leder till en mindre neutronvolym och därmed ett tunnare neutronskinn, vilket kan ge nya insikter om kraften mellan neutronerna, förklarar Forssén.
Genombrottet i studien kan leda till betydligt mer precisa modeller av neutronstjärnor och ökade kunskaper om hur dessa bildas, men han poängterar också att det är skillnad mellan atomkärnor och neutronstjärnor,
– Framförallt är neutronerna i en neutronstjärna mer ihoppackade än de som finns i en atomkärna – det vill säga att densiteten är mycket större i en neutronstjärna än i en atomkärna.
Trots det ser han fram emot att se deras upptäckt appliceras vid studier av neutronstjärnor och sammanfattar i ett pressmeddelande från Chalmers,
– Målet för oss är att få större förståelse för hur den starka kraften beter sig i såväl neutronstjärnor som atomkärnor. Det tar forskningen ett steg närmare att förstå hur till exempel guld och andra grundämnen skulle kunna skapas i neutronstjärnor – och till syvende och sist handlar det om att förstå universum.
