Fyzici předpověděli důsledky „vesmírného data“ hvězd: jak to vědci zvládli

S výjimkou černých děr jsou neutronové hvězdy nejhustšími objekty ve vesmíru. Následující

z názvu se skládají především zneutrony. Znalosti vědců o hmotě vzniklé při srážce dvou neutronových hvězd jsou však stále omezené. Vědci z Goethovy univerzity ve Frankfurtu a asijsko-pacifického centra pro teoretickou fyziku v Pohangu vyvinuli model, který umožňuje vhled do takových extrémní podmínky.

Co jsou neutronové hvězdy?

Poté, co hmotné hvězdy spálí své palivoa explodují jako supernovy, mohou vznikat extrémně kompaktní objekty – neutronové hvězdy. Jsou neobvykle husté. Takže čajová lžička hmoty neutronových hvězd bude na Zemi vážit asi 112 milionů tun. Jsou však velmi malé - průměrná neutronová hvězda se vejde do hranic Londýna. Ale Slunce, nám nejbližší hvězda, se vejde více než milion Zemí.

Neutronové hvězdy jsou malé, ale velmi husté. Typická neutronová hvězda ve srovnání s Londýnem.
Obrazový kredit a autorská práva: Kolbjorn Skarpnes, NTNU

Abyste dosáhli takové hustoty, museli byste stlačit masivní těleso, jako je Slunce, na velikost města, jako je Frankfurt. 

Dnes vědci vědí o existenci2 000 až 3 000 neutronových hvězd v Mléčné dráze. Ale věří se, že jich je mnohem víc. Je obtížné je detekovat z mnoha důvodů, od jejich malé velikosti (alespoň podle astronomických měřítek) až po jejich nízkou svítivost ve viditelném světle.

Proč jsou tak zajímavé?

Všechny objekty ve vesmíru jsou tvořeny hvězdami.látek. Ne všechna svítidla však syntetizují stejné chemické prvky. Obyčejné hvězdy jsou továrny na výrobu helia, uhlíku a dalších známých světelných prvků.

Ilustrace: ESO

Vytvoření těžších, jako je stříbro, zlato a platina, vyžaduje srážku neutronových hvězd.

Jaké otázky mají vědci ohledně neutronových hvězd?

Změřte gravitační vlny, maléoscilace v časoprostoru v důsledku srážky dvou neutronových hvězd byly úspěšné až v roce 2017. Složení výsledného horkého a hustého fúzního produktu však není přesně známo. Stále jsou otevřené otázky, například zda se kvarky, které jsou jinak zachycovány neutrony, mohou po srážce objevit ve volné formě. Aby to autoři nové studie zjistili, vyvinuli nový model.

Co výzkumníci udělali?

V rámci nové studie se vědci rozšířilimodely jaderné fyziky, které nejsou použitelné při vysokých hustotách. Použili k tomu metodu, která se v teorii strun používá k popisu přechodu do husté a horké kvarkové hmoty.

Quark je elementární a fundamentální částicesložka hmoty. Kvarky se spojují a vytvářejí složené částice zvané hadrony, z nichž nejstabilnější jsou protony a neutrony, složky atomových jader. 

Ukázka nové metody:výzkumníci používají pětirozměrné černé díry (vpravo) k výpočtu fázového diagramu silně vázané hmoty (uprostřed). To umožňuje simulovat splynutí neutronových hvězd a výsledné gravitační vlny (vlevo). 
Kredit: Goethe University Frankfurt nad Mohanem

Autoři studie použili matematikuvztah nalezený v teorii strun, jmenovitě korespondence mezi pětirozměrnými černými dírami a silně interagující hmotou, k popisu fázového přechodu mezi hustou jadernou a kvarkovou hmotou.

Jinými slovy, fyzici používali pětirozměrnéčerných děr pro výpočet fázového diagramu silně vázané hmoty. To vědcům pomohlo simulovat splynutí neutronových hvězd a výsledné gravitační vlny.

Kvarková hmota sestávající z u-a d-kvarky, se vyznačuje velmi vysokou Fermiho energií ve srovnání s běžnou atomovou hmotou. Je také stabilní pouze při extrémních teplotách a/nebo tlacích. To naznačuje, že pouze neutronové hvězdy s jádrem z kvarkové hmoty mohou být stabilními kvarkovými hvězdami.

co zjistili?

Vědci již nový model použiliv počítačovém modelování. Dokázali tedy vypočítat signál gravitačních vln z těchto srážek a ukázat, že v důsledku „kosmického setkání“ neutronových hvězd se může objevit jak horká, tak studená kvarková hmota.

Připomeňme, že gravitační vlny jsou změnygravitační pole, šířící se jako vlny. Jsou emitovány pohybujícími se hmotami, ale po ozáření jsou od nich odděleny a existují nezávisle na těchto hmotách. Matematicky souvisí s narušením časoprostorových metrik a lze jej popsat jako „časoprostorové vlnění“.

Co bude dál?

Vědci doufají, že v budoucnu budou schopni porovnat modely s budoucími gravitačními vlnami měřenými z vesmíru, aby lépe porozuměli kvarkové hmotě při srážkách neutronových hvězd.

Přečtěte si více:

Archeologové oficiálně potvrdili legendy z Bible

Hrob "kněžky" Afrodity byl nalezen: vědci ukázali, co tam našli

Vědci viděli, co je na území hlavního města Mayů. Nález je překvapil.

Obálka: University of Warwick/Mark Garlick, CC BY 4.0, prostřednictvím Wikimedia Commons