Neutronstjärnor laboratorium för svenska fysiker

Neutronstjärnor är de oerhört kompakta och extremt heta resterna av utbrända jättestjärnor. De väger ett par gånger mer än vår sol, men är bara några kilometer i diameter. Deras oerhörda kompakthet gör att partiklar som faller in mot stjärnan skulle slå i ytan med en ansenlig andel av ljushastigheten om de fick falla fritt.

Unga neutronstjärnor – som den som ligger i hjärtat av krabbnebulosan i oxens stjärnbild och som bildades för knappt tusen år sedan – kan ha en yttemperatur på några miljoner grader. Men eftersom de inte producerar någon ny energi kallnar de ganska snabbt. Unga neutronstjärnor har också ofta våldsamt starka magnetfält.

Det rör sig alltså extrema energier i en neutronstjärnas närhet. Det är just detta som umeåfysikerna Mattias Marklund och Gert Brodin utnyttjat.

De har upptäckt att energi transporteras runt mellan de magnetiska polerna på ett tidigare okänt sätt. Detta beror på en kraft som skapas när elektroner snurrar på ett speciellt sätt.

Elektronerna spinner i takt

Krafterna uppkommer tack vare en särskild egenskap som materiens minsta beståndsdelar äger och som kallas för spinn. För att kraften ska uppstå måste en stor samling elektroner befinna sig i ett starkt magnetfält och nära den absoluta nollpunkten, vilket stämmer bra på många neutronstjärnor.

– Elektronernas spinn kan samverka med ett yttre magnetfält och på så sätt påverka elektronernas rörelser, säger Mattias Marklund. Det har man vetat sedan tidigare. Men vi har sett att även utan magnetfält så kan man se kollektiva effekter. Har man en tillräckligt stor samling elektroner så ger spinnet upphov till nya krafter som nästan kan liknas vid ett tryck.

Kraften beror på hur stort magnetfältet är. Är magnetfältet tillräckligt starkt vill elektronerna på grund av spinnet orientera sig längs med fältet.

– På just neutronstjärnor, där magnetfälten är extremt starka, kan de här effekterna vara framträdande och påverka energitransporten på ett väldigt påtagligt sätt.

Vågorna trycks ihop

Kvanteffekterna av spinnet kan ge en sorts vågbrytande effekt. Det fungerar precis som med en vattenvåg där bakdelen av vågen hinner upp framsidan.

– De elektromagnetiska vågorna utbreder sig olika fort i den här miljön beroende på vilken frekvens de har, säger Mattias Marklund. Framänden på en puls kan då bli väldigt "brant" – precis som en våg som bryts vid stranden – vilket kan accelerera partiklar väldigt kraftigt. Förutom att det här är intressant ur kvantmekanisk synvinkel så skulle det också kunna vara intressant när man tittar på partikelaccelerationer i neutronstjärnors atmosfär.

Mattias Marklund påpekar han och Gert Brodin har gjort sina studier för att bättre förstå kvantmekaniken, och det egentligen inte är fråga om astrofysik. De använder neutronstjärnor för att testa grundläggande fysik. De forskar inom ickelinjär fysik och studerar sådant som hur vattenvågor breder ut sig, plasmaeffekter i extrema miljöer och hur ljuspulser breder ut sig i fibrer.

– Men kan astronomerna använda sig av resultaten så är de givetvis mer än välkomna, säger han leende.