Vědci zvážili neutronovou hvězdu, aby nahlédli do jejího podivného fyzikálního nitra

Neutronové hvězdy jsou jedny z nejextrémnějších objektů ve vesmíru. Vznikly ze zhroucených jader superobřích hvězd. Váží více než naše milované Slunce. Zároveň jsou stlačené do koule o velikosti běžného města.

Hustá jádra těchto exotických hvězd obsahují hmotu stlačenou do jedinečných stavů, které na Zemi nemůžeme replikovat a studovat. Proto se NASA vydala na misi, jejímž cílem je studovat neutronové hvězdy a poznat fyziku, která řídí hmotu v jejich nitru.

Pomocí rádiových signálů z rychle rotující neutronové hvězdy jsme změřili její hmotnost. To umožnilo vědcům pracujícím s daty NASA změřit poloměr hvězdy, což jim následně poskytlo dosud nejpřesnější informace o podivné hmotě uvnitř.

Co se nachází uvnitř neutronové hvězdy?

Hmota v jádru neutronových hvězd je ještě hustší než jádro atomu. Jako nejhustší stabilní forma hmoty ve vesmíru je stlačená až na hranici svých možností a je na pokraji zhroucení do černé díry. Pochopení toho, jak se hmota za těchto podmínek chová, je klíčovým testem našich teorií základní fyziky.

Mise NASA NICER (Neutron Star Interior Composition ExploreR) se snaží vyřešit záhady této extrémní hmoty. NICER je rentgenový teleskop na Mezinárodní vesmírné stanici. Detekuje rentgenové záření přicházející z horkých míst na povrchu neutronových hvězd, kde teplota může dosahovat milionů stupňů.

Vědci modelují čas a energii těchto rentgenových paprsků, aby mohli zmapovat horké skvrny a určit hmotnost a velikost neutronových hvězd. Znalost vztahu velikosti neutronových hvězd k jejich hmotnosti odhalí „stavovou rovnici“ hmoty v jejich jádrech. To vědcům napoví, jak měkká nebo tvrdá, jak „stlačitelná“ – neutronová hvězda je, a tedy z čeho se skládá.

Měkčí stavová rovnice by naznačovala, že se neutrony v jádře rozpadají na exotickou směs menších částic. Tvrdší stavová rovnice by mohla znamenat, že neutrony odolávají, což vede ke vzniku větších neutronových hvězd. Stavová rovnice také určuje, jak a kdy se neutronové hvězdy při srážkách roztrhají.

Řešení záhady se sousedem neutronové hvězdy

Jedním z hlavních cílů projektu NICER je neutronová hvězda PSR J0437-4715, která je nejbližším a nejjasnějším milisekundovým pulzarem. Pulzar je neutronová hvězda, která vysílá paprsky rádiových vln, které pozorujeme jako puls při každé rotaci neutronové hvězdy.

Tento konkrétní pulsar se otočí 173krát za sekundu (stejně rychle jako mixér). Pozorujeme ho již téměř 30 let pomocí radioteleskopu Murriyang, který je součástí CSIRO Parkes v Novém Jižním Walesu. Tým pracující s daty NICER stál u tohoto pulzaru před výzvou. Rentgenové záření přicházející z blízké galaxie ztěžovalo přesné modelování horkých míst na povrchu neutronové hvězdy.

Naštěstí se podařilo pomocí rádiových vln zjistit nezávislé měření hmotnosti pulzaru. Bez této zásadní informace by tým správnou hmotnost nezjistil.

Vážení neutronové hvězdy je především o načasování

Při měření hmotnosti neutronové hvězdy se spoléháme na efekt popsaný Einsteinovou obecnou teorií relativity, který se nazývá Shapirovo zpoždění. Hmotné a husté objekty, jako jsou pulsary, a v tomto případě jejich průvodce, bílý trpaslík – deformují prostor a čas. Pulsar a jeho průvodce kolem sebe obíhají jednou za 5,74 dne. Když k nám pulzy z pulzaru putují přes stlačený prostoročas obklopující bílého trpaslíka, jsou zpožděny o mikrosekundy.

Taková mikrosekundová zpoždění lze snadno změřit pomocí přístroje Murriyang z pulsarů, jako je PSR J0437-4715. Tento pulsar a další podobné milisekundové pulsary jsou pravidelně pozorovány v rámci projektu Parkes Pulsar Timing Array, který tyto pulsary využívá k detekci gravitačních vln.

Protože se PSR J0437-4715 nachází relativně blízko nás, zdá se, že se jeho dráha z našeho pohledu mírně kýve, jak se Země pohybuje kolem Slunce. Toto kmitání nám poskytuje více informací o geometrii dráhy. Spolu se Shapirovým zpožděním ji použijeme k určení hmotností průvodce bílého trpaslíka a pulzaru.

Hmotnost a velikost PSR J0437-4715

Vypočítalo se, že hmotnost tohoto pulzaru je typická pro neutronovou hvězdu a je 1,42krát větší než hmotnost našeho Slunce. To je důležité, protože velikost tohoto pulzaru by měla být rovněž typická pro neutronovou hvězdu.

Vědci pracující s daty z projektu NICER pak byli schopni určit geometrii rentgenových horkých skvrn a vypočítat, že poloměr neutronové hvězdy je 11,4 km. Tyto výsledky poskytují dosud nejpřesnější nalezený opěrný bod pro stavovou rovnici neutronové hvězdy při středních hustotách. Náš nový obraz již vylučuje nejměkčí a nejtvrdší stavovou rovnici neutronové hvězdy. Vědci budou pokračovat v rozluštění toho, co přesně to znamená pro přítomnost exotické hmoty ve vnitřních jádrech neutronových hvězd.

Vědci uvádějí, že teorie naznačují, že tato hmota může zahrnovat kvarky, které unikly ze svých běžných domovů uvnitř větších částic, nebo vzácné částice známé jako hyperony. Tato nová data doplňují vznikající model nitra neutronových hvězd, který byl rovněž založen na pozorování gravitačních vln ze srážky neutronových hvězd a související exploze zvané kilonova.

Murriyang má dlouhou historii pomoci při misích NASA a byl známý jako hlavní příjemce záznamů pro většinu výstupů Apolla 11 na Měsíc. Nyní se tento ikonický dalekohled využil k „posouzení“ fyziky nitra neutronových hvězd, čímž jsme posunuli naše základní znalosti o vesmíru.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: space.com, youtube.com