Teksti: Emilia Kilpua ja Aleksi Vuorinen
Maailmankaikkeuden tihein aine löytyy varsin yllättävästä paikasta. Kun Aurinkoamme huomattavasti painavammat tähdet tulevat elinkaarensa päähän, niiden ulko-osat räjähtävät avaruuteen supernovana. Tähden ydin puolestaan luhistuu kasaan joko tapahtumahorisonttinsa verhoamaksi mustaksi aukoksi tai neutronitähdeksi. Jälkimmäiset ovat tiiviitä, säteiltään noin kymmenkilometrisiä palloja, joiden sisään mahtuu parhaimmillaan jopa kahden Auringon massan verran lähinnä neutroneista koostuvaa ainetta. Neutronitähdet ovatkin eräitä universumimme eksoottisimmista astrofysikaalisista kohteista – ja monet niiden ominaisuuksista vielä pitkälti hämärän peitossa.
Aleksi Vuorinen on teoreettinen hiukkas- ja ydinfyysikko Helsingin yliopistolta, joka haluaa selvittää, miten aine neutronitähtien äärimmäisen tiheissä ytimissä käyttäytyy. Aleksi väitteli tohtoriksi teoreettisesta fysiikasta Helsingin yliopistolta vuonna 2004, vain 23-vuotiaana. Monen fyysikon tapaan hän kiersi väitöksensä jälkeen varsin pitkään maailmalla. Kolme vuotta kului ensin Yhdysvaltain länsirannikolla Seattlessa, Washingtonin yliopistossa. Sieltä matka jatkui Wienin teknilliseen yliopiston kautta Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskukseen CERNin Genevessä. Vuonna 2008 Aleksi sai Alexander von Humboldt -säätiön arvostetun Sofja Kovalevskaja -palkinnon, jonka turvin hän perusti ensimmäisen oman tutkimusryhmänsä Bielefeldin yliopistoon. Helsingin yliopistoon Aleksi palasi syksyllä 2013 akatemiatutkijana ja johtaa siellä toimivaa tutkimusryhmää, joka laajeni merkittävästi hänen saatuaan Euroopan komission ERC Consolidator grant -apurahan syksyllä 2016.
Aleksi on teoreettinen fyysikko termin varsinaisessa merkityksessä: hänen tärkeimmät työkalunsa kvanttiväridynamiikan ja muiden kvanttikenttäteorioiden tutkimuksessa ovat kynä ja paperi. Kvanttiväridynamiikka kuvaa aineen pienimpien osasten, kvarkkien ja gluonien välistä vahvaa vuorovaikutusta, joka sitoo kvarkit protoneiksi, neutroneiksi ja lukuisiksi muiksi havaituiksi hiukkasiksi. Työssään Aleksi hyödyntää paitsi kvanttikenttäteorian perinteistä koneistoa, kuten häiriöteoriaa, myös säieteoriasta johdettua ns. mittakenttä/painovoima- tai AdS/CFT-dualiteettia. Tämä varsin eksoottinen työkalu tarjoaa mahdollisuuden ratkaista vahvasti vuorovaikuttavien kenttäteorioiden ominaisuuksia palauttamalla laskut yleisen suhteellisuusteorian ongelmiksi kaarevassa 5-ulotteisessa avaruudessa.
ERC-projektissa Aleksin kunnianhimoinen tavoite on löytää tarkin mahdollinen ennuste neutronitähtien tilanyhtälölle, joka kuvaa niiden sisältämän aineen termodynaamisia ominaisuuksia. “Suurin avoin kysymys alalla on, löytyykö neutronitähtien sisältä kvarkkiainetta eli ovatko kvarkit tähden sisällä vapautuneet värivoiman kahleista”, Aleksi kertoo. Kvarkkiainetta – tai tarkemmin kuumaa kvarkkigluoniplasmaa – on ollut olemassa myös universumin alkuhetkillä, heti alkuräjähdyksen jälkeen, ja lisäksi sitä tuotetaan ns. raskasionitörmäyksissä esimerkiksi CERN:n LHC-kiihdyttimessä. Tämänkaltaisen aineen tutkiminen auttaa siis ymmärtämään myös maailmankaikkeuden alkuhetkiä, minkä lisäksi sillä on linkkejä mm. ydinfuusion sekä kiinteän olomuodon fysiikan tutkimukseen.
Vaikka puhdas laskeminen onkin Aleksin sydäntä lähellä, hän haluaa pitää ainakin toisella kädellään kiinni todellisuudesta. Neutronitähtien fysiikassa häntä kiehtoo paitsi mahdollisuus työskennellä fundamentaalin ja matemaattisesti haastavan ongelman parissa, myös alan kiinteä yhteys havaitsevaan tähtitieteeseen. “Nopeat edistysaskeleet neutronitähtien ominaisuuksien mittaamisessa tarjoavat teoreetikolle upean mahdollisuuden testata ennusteitaan lähes reaaliajassa,” Aleksi tiivistää. Tämä kehitys liittyy osin LIGO-kollaboraation vuonna 2016 julkistamaan gravitaatioaaltohavaintoon. Neutronitähtifyysikot odottavat nimittäin LIGO:n havaitsevan lähivuosina myös kahden neutronitähden yhteensulautumisprosessista lähteviä gravitaatioaaltoja, mikä avaisi kokonaan uuden havaintoikkunan tähtien sisärakenteeseen.
Neutronitähtien tilayhtälön tarkkaa teoreettista ennustamista on pidetty lähes mahdottomana tehtävänä, ja vaikeaa Aleksi myöntää sen olevankin. Hänen ryhmällään on kuitenkin uusi tapa lähestyä ongelmaa, joka lähtee liikkeelle kvarkkiaineen tilanyhtälön määrittämisestä vielä neutronitähtien ytimiäkin korkeammissa tiheyksissä. Uudella metodilla on jo saatu erittäin lupaavia tuloksia, mutta ERC-lupauksen lunastaminen vaatii vielä paljon työtä. ”Jää nähtäväksi, pääsemmekö tavoitteeseemme. Toisaalta tutkimus olisi aika tylsää, jos lähestyisi vain sellaisia ongelmia, jotka tiedetään jo etukäteen ratkeaviksi”, toteaa Aleksi.