Gravitačné vlny odhaľujú vnútro neutrónových hviezd

Detekcia gravitačných vĺn zo splynutia neutrónových hviezd v minulom roku ukázala určité detaily v štruktúre neutrónových hviezd, pričom vylúčila exotickú kvarkovú hmotu v jadre týchto objektov. Dvojica nezávislých štúdií priniesla nové obmedzenia na veľkosť neutrónových hviezd, pričom naznačuje, že ich polomery nemôžu byť väčšie než 14 km. Táto hranica je troška vyššia než predchádzajúce hodnoty, čo naznačuje, že neutrónové hviezdy by mohli byť menej „exotické" než sa predtým uvažovalo. Neutrónové hviezdy sú husté hviezdne pozostatky po výbuchoch supernov. Vo svojom maličkom objeme však obsahujú materiál s hmotnosťou okolo 1,4 násobku hmotnosti Slnka. Preto sú hustota a tlak v ich vnútri nesmierne vysoké a elektróny sú zatláčané do atómových jadier – pritom protóny interagujú s elektrónmi a vytvárajú neutróny. Preto by teda neutrónové hviezdy mali byť tvorené najmä neutrónmi. Ale je tu aj možnosť, že hustota v ich jadrách môže byť taká vysoká, že hmota sa rozpadne ešte na menšie častice - a to na kvarky. Astrofyzik Feryal Özel (University of Arizona) vysvetlil že v prípade neutrónových hviezd je ich rozmer skutočne podstatný, pretože čím menšia je hviezda, tým vyššia je hustota v jadre. Predchádzajúce výpočty ukazovali na maximálny možný polomer neutrónových hviezd medzi 10 a 11 km. To nevyzerá veľmi odlišne od 14 km zmienených vyššie, ale stačí to na to, aby sa centrálna hustota zvýšila na viac než dvojnásobok. A to je zasa dosť na to, aby to malo vážny efekt na odpor častíc proti kolapsu, píše ďalej Özel, a mohlo by to priniesť potrebu zavedenia jadra hviezdy naplneného kvarkami. Nové veľkosti neutrónových hviezd sa objavili v prácach v minulom roku publikovaných na základe detekcie gravitačných vĺn detektormi LIGO a Virgo a vzniknutých pri splynutí dvojice neutrónových hviezd pozorovanom v auguste 2017. Tento pár bol vzdialený od nás 130 miliónov svetelných rokov. Husté a hmotné objekty, ako sú čierne diery a neutrónové hviezdy, vyžarujú tieto záchvevy priestoročasu keď sa pohybujú vesmírom. Gravitačné vlny pozorované pri kolízii neutrónových hviezd poslúžili ako sonda do štruktúry objektu. Hoci obe spomínané vedecké práce používajú rôzny prístup, vypočítali zhruba ten istý maximálny rozmer pre neutrónové hviezdy. Eemeli Annala (Univerzita v Helsinkách, Fínsko) viedol štúdiu, v ktorej táto hranica vyšla 13,6 km, zatiaľ čo Farrukh J. Fattoyev (Indiana University, USA) so spolupracovníkmi dospeli k číslu 13,76 km. Kvôli obrovskej hustote si astronómovia nie sú istí, ako vyzerajú neutrónové hviezdy vo vnútri. Niektoré ich myšlienky sú založené na jadrovej fyzike, zatiaľ čo koncepcia kvarkovej hmoty je založená predovšetkým na fyzike vysoko energetických častíc. Rôzne prístupy môžu dať rozdielne predpovede ohľadne vnútornej stavby neutrónových hviezd. Experimenty na urýchľovači Large Hadron Collider (LHC) v CERNe v Ženeve (Švajčiarsko) a na Heavy Ion Collider v Brookhaven National Laboratory, USA, dávajú určitý pohľad na to, ako by mohlo vyzerať jadro neutrónovej hviezdy. Vedci v týchto inštitúciách sledujú zrážky iónov pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla, aby vyprodukovali vysoké teploty, ktoré rozložia protóny a neutróny na kvark-gluónovú plazmu. „Tieto zrážky vytvárajú také husté kvapky hmoty s veľkosťou iónov, že sa „roztápa" štruktúra protónov a neutrónov a zanechávajú nám na kratučký moment malú kvapku kvarkovej hmoty," hovorí teoretický fyzik Aleksi Kurkela (CERN). „Myslíme si, že táto horúca kvark-gluonová plazma úzko súvisí s „chladnou" kvarkovou hmotou, ktorú môžeme nájsť v jadrách neutrónových hviezd. Štúdiom vlastností kvark-gluónovej plazmy sa pokúšame zistiť, čo sa deje v jadrách neutrónových hviezd." Ak neutrónové hviezdy produkujú vo svojich jadrách kvarky, tieto môžu prechádzať fázovou premenou. „Mohli by sme prípadne pozorovať neutrónové hviezdy s podobnými hmotnosťami, ale s dosť odlišnými polomermi," vysvetľuje Kurkela. „Interpretácia by potom spočívala v tom, že neutrónová hviezda s väčším polomerom by mala obsahovať „pevnejší" materiál, pravdepodobne neutrónovú látku. Menšia by mohla byť tvorená, alebo aspoň jej jadro, „mäkším" materiálom, kvarkovou hmotou." „Zatiaľ čo naše teórie podávajú veľmi dobrý popis hustej látky pri hustotách zrovnateľných s hustotami atómových jadier, ich predpovede sa značne odchyľujú keď sa extrapolujú do ešte vyšších hustôt," dodáva Fattoyev (Indiana University, USA). V skutočnosti niektoré z pozorovaní pomocou interferometra LIGO nie sú celkom v súlade s tým, čo vedci predtým teoreticky predpovedali, konkrétne ohľadom typov hmoty vo vnútri neutrónových hviezd, hovorí Kurkela. Keď okolo seba obiehajú dve neutrónové hviezdy, gravitačné pole každej z nich vyvoláva slapové sily na jej partnerovi: gravitácia priťahuje oveľa silnejšie hmotu na bližšej strane susednej hviezdy, než na vzdialenejšej. Ako dôsledok toho sa obe neutrónové hviezdy roztiahnu, pričom sa slapovými silami deformujú do tvaru pripomínajúceho ragbyovú loptu, vysvetľuje Kurkela. Tvary neutrónových hviezd poukazujú na to, z čoho sú „vyrobené". Ak je látka v vnútri neutrónových hviezd „mäkká", t.j. obsahuje okrem neutrónov aj prídavok kvarkov, detektor LIGO by mal vidieť, že neutrónové hviezdy sú zdeformované. Ale pozorovania z LIGO nezodpovedajú tejto teórii. Namiesto toho, vysvetľuje Kurkela, pozorovania z LIGO ukázali, že neutrónové hviezdy sa správali ako keby boli „tvrdé", nestlačiteľné lopty, dokonca aj keď sa zrážali a splývali, čo znamená, že obsahujú vo svojich jadrách len neutróny. Výsledky dovolili výskumníkom vylúčiť existenciu kvarkov vo vnútri neutrónových hviezd. Vedci budú potrebovať viac pozorovaní gravitačných vĺn, aby potvrdili to, čo pozoroval detektor LIGO. Navyše, keďže zrážky neutrónových hviezd generujú okrem gravitačných vĺn samozrejme aj svetlo a vo všeobecnosti elektromagnetické žiarenie, vedci dúfajú, že získajú viac informácií o ich zložení následnými pozorovaniami v röntgenovej oblasti a to prístrojmi ako je napríklad Neutron star Interior Composition Explorer (NICER) umiestnený na Medzinárodnej vesmírnej stanici (ISS).

Publikované v časopise QUARK 8/2018, RNDr. Zdeněk Komárek

Text k obrázku: umelecká predstava zobrazuje dvojicu neutrónových hviezd v okamihu zrážky.
Zdroj obrázka: Dana Berry/SkyWorks Digital, Inc.