Po celá desetiletí fyzici teoretizovali o existenci exotické hmoty uvnitř neutronových hvězd – pozůstatků kolabujících hvězd tak hustých, že gravitace stlačuje atomy na jejich základní složky. Nyní nový výzkum naznačuje, že bychom mohli být brzy schopni potvrdit existenci této hmoty, která naposledy existovala krátce po Velkém třesku, analýzou jemných deformací v gravitačních vlnách vyzařovaných slučováním neutronových hvězd.
Fyzika extrémních neutronových hvězd
Neutronové hvězdy patří mezi nejhustší objekty ve vesmíru. Vznikají, když hmotné hvězdy zemřou při explozích supernov a sbalí hmotu našeho Slunce do koule o velikosti zhruba města. Tato extrémní hustota stlačuje protony a elektrony dohromady a tvoří neutrony. Ale hlouběji uvnitř těchto hvězdných zbytků může být gravitace tak obrovská, že i neutrony se rozpadají na jejich složky kvarky a gluony, čímž vzniká stav hmoty nazývaný kvark-gluonové plazma.
Toto plazma je významné, protože se jedná o stejný stav hmoty, který existoval v nejranějších okamžicích vesmíru, zlomek sekundy po velkém třesku. Jeho nalezení uvnitř neutronových hvězd nám poskytne jedinečnou laboratoř pro studium podmínek, které nelze na Zemi replikovat jinak než v urychlovačích částic.
Jak gravitační vlny ukládají klíč
Klíč k vyřešení této záhady spočívá v pozorování binárních neutronových hvězd – párů těchto hvězdných mrtvol, které se spirálovitě pohybují směrem k sobě. Jak se přibližují, jejich intenzivní gravitace se navzájem deformuje a vytváří vlnění v časoprostoru nazývané gravitační vlny. Vědci nyní věří, že tyto vlny nesou skrytý otisk vnitřní struktury neutronových hvězd.
Tým vedený Nicholasem Younesem z University of Illinois a Abhishekem Hegadem z Princetonské univerzity vyvinul teoretický rámec pro dešifrování tohoto tisku. Myšlenka je taková, že slapové síly mezi neutronovými hvězdami způsobují vibrace uvnitř jejich jader, jako když zvoní. Frekvence těchto vibrací je obsažena v gravitačních vlnách.
Překonávání teoretických překážek
Jedním z hlavních problémů bylo účtování energie ztracené samotnými gravitačními vlnami. Newtonovská fyzika poskytuje kompletní sadu vibračních režimů pro objekty, ale obecná teorie relativity situaci komplikuje. Younes a Hegade tento problém vyřešili tak, že s každou neutronovou hvězdou zacházeli individuálně a vypočítali vliv jejího společníka jako vnější síly. Zjistili, že rozdělením problému na menší měřítka mohou přesně popsat celou škálu vibračních režimů a jejich otisk na gravitačních vlnách.
“Ukázali jsme dvě hlavní věci,” řekl Hegade. “Zaprvé jsme byli schopni odečíst záření a odhalili, že módy neutronové hvězdy skutečně tvoří kompletní sadu. Zadruhé jsme zjistili, že pokud vyřešíte konkrétní sadu rovnic postupně pomocí slapového pole, které je dostatečně ‘hladké’, řešíte vnitřek hvězdy a můžete dělat vše v obecné relativitě, co můžete dělat v Newtonově gravitaci.”
Budoucnost výzkumu neutronových hvězd
Ačkoli je tato práce v současnosti teoretická, příští generace detektorů gravitačních vln, jako jsou ty, které navrhuje Cosmic Explorer a Einstein Telescope, se může brzy stát dostatečně citlivými, aby detekovala tato jemná zkreslení. Pokud bude úspěšná, mohla by otevřít okno do extrémní fyziky neutronových hvězd a poskytnout nám pohled na podmínky, které formovaly raný vesmír.
Pochopení vnitřní struktury neutronových hvězd není jen o základní fyzice. To nám pomáhá upřesnit naše chápání gravitace, hmoty v extrémních hustotách a samotného původu našeho vesmíru. Příštích několik let se pro tuto oblast rýsuje jako vzrušující.
