Vnútro neutrónových hviezd

Detekcia gravitačných vĺn, ktoré vznikli splynutím 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 aj nové obmedzenia veľkosti neutrónových hviezd –  ich polomery nemôžu byť väčšie ako 14 km. Táto  hranica je troška vyššia než predchádzajúce hodnoty, čo naznačuje, že neutrónové hviezdy by mohli byť menej exotické, než sa uvažovalo predtým.

Neutróny, možno aj kvarky 

Umelecká predstava zobrazujúca dvojicu neutrónových hviezd v okamihu zrážky

Neutrónové hviezdy sú husté hviezdne pozostatky po výbuchoch supernov. Vo svojom maličkom objeme však obsahujú materiál s hmotnosťou okolo 1,4-násobku hmotnosti Slnka. Hustota a tlak v ich vnútri sú nesmierne vysoké a elektróny sú zatláčané do atómových jadier. Vtedy 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 na ešte menšie častice – na kvarky. Čím menšia je hviezda, tým vyššia je hustota v jadre. Predchádzajúce výpočty poukazovali na maximálny možný polomer neutrónových hviezd medzi 10 a 11 km. To sa veľmi nelíši od už spomenutého polomeru 14 km, ale stačí to na to, aby sa centrálna hustota zvýšila na viac než dvojnásobok. A to je dosť na to, aby to malo vplyv na odpor častíc proti kolapsu. Mohlo by to priniesť úvahu o jadre hviezdy naplnenom kvarkami.

Rôzny prístup, rovnaký výsledok 

Nové veľkosti neutrónových hviezd sa objavili v prácach publikovaných v minulom roku na základe detekcie gravitačných vĺn detektormi LIGO a Virgo. Detegované gravitačné vlny vznikli splynutím dvojice neutrónových hviezd a poslúžili ako sonda do štruktúry objektu. Spomínané vedecké práce používajú rôzny prístup, vypočítali však približne ten istý maximálny rozmer pre neutrónové hviezdy. Eemeli Annala  z Univerzity v Helsinkách 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. Pre obrovskú hustotu si astronómovia nie sú istí, ako vyzerajú neutrónové hviezdy vnútri. Niektoré ich myšlienky sa zakladajú na jadrovej fyzike, zatiaľ čo koncepcia kvarkovej hmoty je založená predovšetkým na fyzike vysoko energetických častíc. Rôzne prístupy môžu poskytnúť rozdielne predpovede ohľadne vnútornej stavby neutrónových hviezd.

Experimenty v urýchľovačoch 

Experimenty na urýchľovači Large Hadron Collider (LHC) v CERN-e v Ženeve (Švajčiarsko) a na Heavy Ion Collider v Brookhaven National Laboratory v USA ponúkajú 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 kvarkovo-gluónovú plazmu. Štúdiom vlastností kvarkovo-gluónovej plazmy sa pokúšame zistiť, čo sa deje v jadrách neutrónových hviezd. Keď okolo seba obiehajú dve neutrónové hviezdy, gravitačné pole každej z nich vyvoláva slapové sily na jej partnerovi. Ako dôsledok toho sa obe neutrónové hviezdy roztiahnu, pričom sa slapovými silami deformujú do tvaru pripomínajúceho ragbyovú loptu, vysvetľuje teoretický fyzik Aleksi Kurkela (CERN). Tvary neutrónových hviezd poukazujú na to, z čoho sú vyrobené.

Tvrdé nestlačiteľné lopty 

Ak je látka vnútri neutrónových hviezd mäkká, teda obsahuje okrem neutrónov aj prídavok kvarkov, detektor LIGO by mal vidieť, že neutrónové hviezdy sú zdeformované. Ale pozorovania z LIGO nezodpovedajú tejto teórii. Výsledky umožnili výskumníkom vylúčiť existenciu kvarkov vnútri neutrónových hviezd. Vedci však budú potrebovať viac pozorovaní gravitačných vĺn, aby potvrdili to, čo pozoroval detektor LIGO.

RNDr. Zdeněk Komárek
Ilustrácia Dana Berry/SkyWorks Digital, Inc.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 08/2018.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Komentáre