Stor som en kula men tyngre än jorden

De kompakta objekt i rymden som traditionellt erkänns inom astrofysiken är vita dvärgar, neutronstjärnor och svarta hål. Att de är kompakta betyder att de har mycket stor massa i förhållande till sin storlek.

Kompakta himlakroppar bildas när energiproduktionen i en stjärna har avslutats och den kollapsar av sin egen tyngd. Vita dvärgar kallas de minst kompakta av dessa utbrända stjärnrester. Där balanseras gravitationskraften av trycket från elektroner, vilket motverkar ytterligare kollaps. Vita dvärgar är ungefär av jordens storlek och väger inte mer än 1,4 solmassor.

Är stjärnan tyngre än så, kan elektrongasens tryck inte längre stå emot gravitationen. Enkelt uttryckt pressas då elektronerna in i atomkärnornas protoner och bildar neutroner. Så föds en neutronstjärna som är några tiotal kilometer i diameter och kan väga ett par solmassor. Om stjärnresten är ännu massivare, räcker inte heller neutronernas tryck, utan stjärnan kollapsar till ett svart hål.

Det finns även mer exotiska förslag på kompakta objekt, som kvarkstjärnor och hybridstjärnor. Dessa är ungefär lika stora och tunga som neutronstjärnor och har ungefär samma egenskaper som de. Alla dessa objekt bygger på partikelfysikens så kallade standardmodell, där kvarkar och leptoner utgör materiens minsta beståndsdelar.

Men om det skulle finnas mer elementära partiklar – preoner – ändras förutsättningarna. En helt ny typ av kompakta objekt, preonstjärnor, kan då existera.

Elementära eller inte?

I partikelfysikens standardmodell ingår sex olika kvarkar och sex olika leptoner. En underlig sak är att endast de två lättaste av kvarkarna är stabila, medan de övriga mycket snabbt sönderfaller till dessa två. Detsamma gäller för leptonerna, bara de lättaste är stabila.

Redan här kan man alltså börja misstänka att kvarkar och leptoner inte är så fundamentala som man har trott. En verkligt fundamental partikel bör ju inte kunna sönderfalla, eller hur? Historiskt har det dessutom alltid varit så att instabila ”elementarpartiklar” så småningom har visat sig bestå av mer fundamentala byggstenar.

Preoner är just en sådan mer elementär klass av partiklar. Redan på 1970-talet lades de första preonmodellerna fram. År 2002 var en oss (Johan Hansson) med om att konstruera en ny och förbättrad modell, som kan förklara alla kvarkar och leptoner i standardmodellen i termer av enbart tre fundamentala och helt stabila preoner. I stället för tolv elementära partiklar har vi alltså endast tre. Dessutom får vi fram en del samband mellan storheter som inte alls hänger samman i standardmodellen.

Vår preonmodell ger en rad förutsägelser som går att testa i experiment. Förhoppningsvis blir detta möjligt med partikelacceleratorn LHC, som tas i drift år 2007 vid det europeiska fysiklaboratoriet Cern i Genève. Vid de mycket höga energier som acceleratorn kan producera hoppas världens partikelfysiker att något nytt ska dyka upp. Kanske blir det hittills osedda supersymmetriska partiklar, extra dimensioner – eller preoner.

Kan de finnas så bör de finnas

Med hjälp av preonernas egenskaper och Albert Einsteins allmänna relativitetsteori har vi kunnat visa att en kompakt kropp som består av preoner, en preonstjärna, är fysikaliskt möjlig. Om sedan preonstjärnor verkligen bildas i stor mängd i universum är ännu okänt. Men i naturen verkar det som om allt som är möjligt också förverkligas. Eller för att låna ett uttryck från den amerikanske Nobelpristagaren Murray Gell-Mann, som förutsade kvarkarna långt innan de upptäcktes i experiment: ”Allt som inte är strikt kvantmekaniskt förbjudet är obligatoriskt.”

Preonstjärnornas storlek och massa bestäms av preonernas egenskaper. Eftersom partikelfysiken hittills har testat energier upp till ungefär 1 teraelektronvolt (ett tusen miljarder elektronvolt) utan några spår av preoner, måste de ha högre energi än så.

Hög energi kan i kvantfysiken översättas till korta avstånd. Det innebär att storleken på en preon kan vara högst 10-19 meter, eftersom man redan har undersökt materien ner till den nivån utan att ha sett några preoner.

Ur detta resonemang kan vi räkna fram att preonstjärnor inte kan vara större än två meter i diameter, samtidigt som massan motsvarar ungefär hundra jordklot! Preonstjärnor är mycket kompaktare än neutronstjärnor. Det innebär att den nya rangordningen för kompakta kosmiska objekt, i ökande densitetsordning, blir: vita dvärgar, neutronstjärnor, preonstjärnor, svarta hål.

Kan utgöra mörk materia

Den mest uppenbara rollen som preonstjärnor kan spela i kosmos är som så kallad mörk materia. Ur flera oberoende observationer vet man att materien i världsalltet till stor del tycks bestå av någon exotisk form av materia som hittills inte har kunnat ses direkt.

Dessa indikationer kommer bland annat från rotationen hos spiralgalaxer och rörelsen hos galaxer i galaxhopar. Bägge rör sig alldeles för snabbt för att kunna hållas samman av gravitationen från enbart den synliga materien. Eftersom vi också vet att galaxer och galaxhopar har existerat i miljardtals år så måste de vara stabila, och för att förklara detta krävs en stor mängd mörk materia. Den kallas mörk just för att den inte strålar ut något eget ljus och alltså är osynlig för våra teleskop.

All mörk materia i universum skulle i princip kunna vara preonstjärnor. I vår egen galax, Vintergatan, behövs bara en preonstjärna per miljon solsystem för att de ska utgöra all saknad materia. De är alltså rätt sällsynta och dessutom extremt små – det förklarar varför astronomerna ännu inte har upptäckt dem.

Ytterligare en astronomisk gåta som preonstjärnor kan hjälpa till att lösa är var de allra mest energirika kosmiska strålarna kommer ifrån. Kosmisk strålning består av partiklar, i huvudsak protoner, som träffar jordens atmosfär med hastigheter nära ljusets. Men inom det, kosmologiskt sett, korta avstånd som krävs finns det inga kända objekt i rymden som kan accelerera kosmiska strålar till de ofantliga energier som har observerats. Preonstjärnor passar dock perfekt som källa till dessa högenergetiska kosmiska strålar. Dels kan de finnas nära oss, dels kan de ha tillräckligt starka magnetfält och höga rotationshastigheter för att accelerera protoner till de högsta energierna.

Var kommer de ifrån?

En obesvarad fråga är: Hur skapas preonstjärnor? Det finns minst två sätt på vilka de skulle kunna bildas. De kan ha uppstått ur densitetsvariationer i det tidiga universum eller, under senare delar av världsalltets historia, när döende stjärnor kollapsar.

Mycket små preonstjärnor kan troligen ha producerats i tillräcklig mängd ur densitetsvariationer i universums begynnelse. Att det måste ha funnits sådana variationer vet man redan, annars skulle inte alla de stjärnor, galaxer och galaxhopar som vi ser i dag ha kunnat bildas. Frågan är bara om variationerna var av rätt slag för att skapa preonstjärnor i sådan mängd att de utgör den mörka materien. Idén har fördelen att den undviker den gräns som är satt av big bang-teorin för hur mycket normal materia det kan finnas i universum. Preonstjärnor skulle ha bildats mycket tidigare än vanlig materia, så denna begränsning gäller inte för dem.

När det gäller den andra möjligheten finns det ännu inget svar på frågan om det är möjligt att preonstjärnor kan skapas ur döende stjärnor. Kan en stjärna på åtskilliga solmassor slunga ut merparten av sin massa under kollapsen, och på så sätt bilda en preonstjärna i stället för ett svart hål? Det finns i dag inget som direkt motsäger att en preonstjärna tung som vår jord skulle kunna formas av en döende stjärna på åtskilliga solmassor. Skulle detta vara möjligt, kan preonstjärnor ha uppstått ur den allra första generationen stjärnor i universum, de så kallade population-III-stjärnorna. Man vet att sådana stjärnor måste ha funnits, men ingen har någonsin lyckats se dem. Det kan bero på att de var extremt tunga och därför mycket kortlivade.

Lämnar spår

Eftersom preonstjärnor är så små, kanske som fotbollar eller mindre, är chansen att se dem direkt i teleskop närmast obefintlig. Den viktigaste utmaningen ligger därför i att ta fram exakta signaturer, ett slags ”fingeravtryck” för preonstjärnor, som astronomerna kan söka efter.

En metod att finna dem bygger på en speciell effekt – så kallad gravitationslinsning. I Einsteins allmänna relativitetsteori är gravitation inte en kraft utan en krökning av den fyrdimensionella rumtiden. Det innebär att en ansamling av materia kan fungera ungefär som en vanlig optisk lins. Och mycket riktigt har astronomerna kunnat se att ljus från mycket avlägsna objekt förstärks när det passerar en stor massa på vägen mot våra ögon.

Preonstjärnor är dock alldeles för små för att ge en sådan ökning av ljusstyrkan från ett bakomliggande objekt. I stället uppstår en annan ljuseffekt som liknar den man får när laserljus passerar genom en smal öppning.

För preonstjärnorna ser man denna optiska effekt i röntgen- och gammaområdet av ljusets spektrum. Därför passar blixtar av gammastrålning eller heta vita dvärgar utmärkt som ljuskällor för att upptäcka preonstjärnor. Man har hittills upptäckt ett fåtal kandidater av just det här slaget som ger en indirekt indikation på att preonstjärnor kan finnas.

En annan metod att hitta preonstjärnor är att studera kosmisk strålning med extremt höga energier. Eftersom dessa strålar har så hög energi böjs de inte av på vägen mot oss av Vintergatans magnetfält. På så sätt kan vi få direkt information om var på himlen en preonstjärna kan ligga. Sedan får man ta till andra observationsmetoder för att ta reda på om det verkligen ligger en preonstjärna där.

Det bästa vore givetvis om preoner kunde upptäckas i partikelacceleratorer på jorden. Detta kommer dock bara att fungera om preoner uppträder vid relativt låg energi, mindre än något hundratal teraelektronvolt. Om preonerna är mycket massivare än så, finns ingen chans att se dem direkt i acceleratorer inom överskådlig framtid.

Så för att tränga längre in i materiens fundamentala struktur får vi i stället förlita oss på astronomiska observationer. Med dagens observatorier kan man redan nu börja undersöka om preoner existerar, något som kanske inte kommer att vara möjligt i acceleratorer inom hundra år, om ens någonsin. Paradoxen är alltså att ju mindre storlekar vi vill studera, desto större anledning har vi att blicka ut i universum i stället för in i atomkärnorna.