Mass and radius constraints for neutron stars using X-ray timing, spectral, and polarization observations

Neutronitähdet ovat maailmankaikkeutemme tiheimpiä tähtiä. Niiden ytimessä olevan erittäin tiheän ja kylmän aineen ominaisuuksien tunteminen on yhä merkittävä ydinfysiikan ongelma. Tätä ainetta kuvaavaa tilanyhtälöä voidaan kuitenkin rajata astrofysiikan keinoilla. Erityisesti tähden massalla ja säteellä, eli koolla, on suora yhteys tilanyhtälöön. 

Tuoreessa väitöstutkimuksessaan Tuomo Salmi kehitti ja tutki menetelmiä, joiden avulla neutronitähden massan ja säteen voi mitata. Menetelmissä havaitaan röntgenpulsseja, jotka syntyvät, kun tähden magneettisilla navoilla loistavat läikät pyörivät tähden mukana.

– Tutkimukseni keskittyi millisekuntipulsareihin, eli hyvin nopeasti pyöriviin neutronitähtiin. Niissä sekä tähden suuri painovoima että nopea pyöriminen vaikuttavat pulssien muotoon. Kun havaintoja verrataan malliin, tähtien massaa ja sädettä saadaan rajattua, Salmi kertoo. 

Tutkimuksessa Salmi käytti yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvaa mallia, joka kuvaa, kuinka nopeasti pyörivän tähden pinnalta lähtevät valohiukkaset, eli fotonit, taipuvat neutronitähden painovoimakentän vaikutuksesta. 

– Kyseinen malli on ollut jo laajalti tutkijoiden käytössä. Osoitimme kuitenkin, että pulssien tarkkaa kuvaamista varten tarvitaan myös aiempaa parempia malleja aineen ja säteilyn vuorovaikutukselle lähellä tähden pintaa, Salmi toteaa. 

Tutkimuksessa kehitetty säteilymalli kuvaa neutronitähden ilmakehää

Neutronitähden pinnalla tiedetään olevan äärimmäisen ohut ilmakehä. Ohuudestaan huolimatta ilmakehällä on keskeinen vaikutus siihen, millaisia pulsseja neutronitähdestä havaitaan.  

– Kehitimme uuden säteilymallin kuvaamaan millisekuntipulsarin ilmakehää. Mallin perusteella tiedetään, kuinka paljon säteilyä ilmakehästä siroaa eri suuntiin. Tätä tietoa tarvitaan pulssimuotojen laskemiseksi, Salmi selittää.

Viime aikoina samanlaisia neutronitähtiä on tutkittu erityisesti NASA:n NICER-instrumentilla. Vuosi sitten julkaistuissa ensimmäisissä tuloksissa tähden säteeksi mitattiin noin kilometrin tarkkuudella 13 kilometriä. Huomiota herätti myös tutkimuksen ennustama monimutkainen tähden magneettikentän rakenne. 

– On erittäin mielenkiintoista selvittää, miten kehittämämme aiempaa tarkempi säteilymalli vaikuttaa NICER:in tuloksiin, Salmi sanoo.

Polarisaatiomittauksilla voidaan rajata tähden geometriaa

Salmen väitöstutkimuksessa tutkittiin lisäksi sitä, miten lähiaikoina laukaistavilla röntgenpolarisaatio-satelliiteilla, kuten NASA:n ensi vuonna laukaistavalla IXPE-satelliitilla, voidaan saada lisää tietoa tähden massasta ja säteestä. 

– Kyseessä on astrofysiikan uusi ikkuna, jota ei aiemmin ole hyödynnetty. Polarisaatiomittauksilla saadaan tähden geometria paremmin rajattua, mikä auttaa myös massan ja säteen mittaamisessa, Salmi kuvailee.

Osana väitöstyötä Salmi oli mukana kehittämässä teoriaa ja työkaluja tulevien havaintojen analysoimista varten. 

– Tulosten mukaan polarisaatiomittaukset yhdessä muiden röntgenmittausten kanssa auttavat ymmärtämään neutronitähtien sisäosien tuntematonta fysiikkaa, Salmi tiivistää.

Väitöskirja on englanninkielinen