Z čeho jsou „uvařené" hvězdy ve vesmíru? Jaderní fyzici trpělivě zkoušejí jednotlivé ingredience, aniž by měli recept

9. únor 2023

Jako byste vařili jídlo, které jste viděli jen zdálky a neznáte recept. Tak pracují částicoví vědci, kteří zkoumají složení neobvyklých vesmírných těles. Jak se „vaří“ supertěžká neutronová hvězda, popisuje jaderná fyzička z Technické univerzity v Mnichově a vedoucí skupiny experimentů v CERNu Laura Fabbiettiová.

Když něco vaříte, napřed si potřebujete sehnat všechny ingredience. Pak obvykle postupujete podle receptu a dostanete něco, co se dá jíst. A takhle se díváme na hvězdy z pozice jaderné fyzikym, hledáme, jaký mají „recept“. Zkoušíme vybrat ingredience a sledujeme, jak spolu interagují.

Protože neutronové hvězdy jsou daleko ve vesmíru a recept není na první pohled patrný?

Přesně. Nevíme, co je uvnitř. Víme, že existují, víme, jak daleko od nás jsou, jak jsou veliké a také jak jsou těžké. Ale nevíme, jaký typ hmoty mají uvnitř. Jedna z nejhezčích aplikací jaderné fyziky je ta, že chceme zjistit, jestli uvnitř neutronových hvězd je něco, co se podobá naší hmotě.

Normálně je hmota kolem nás složená z atomů, uvnitř kterých jsou jádra. Chceme vědět, jestli jsou neutronové hvězdy složené ze samých jader, mezi kterými není jednoduše žádný prázdný prostor, nebo jestli to není něco exotického, nějaký úplně jiný typ hmoty.

Ve vesmíru známe asi dva tisíce neutronových hvězd, takže nejsou vzácné. Co je na nich tak zvláštního?

Jsou těžké jako Slunce nebo ještě těžší, jedenapůlkrát nebo dvakrát těžší než Slunce. Ale přitom jsou nesrovnatelně menší. Mají poloměr kolem deseti kilometrů. Když to porovnáte s velikostí Slunce.

Čtěte také

Poloměr skoro sedmset tisíc kilometrů. Neutronová hvězda je nepředstavitelně zhuštěná, těžká hmota.

Ale jak už jsem naznačila, není to žádná science fiction. Ten poměr hustot odpovídá rozdílům v hustotě atomů a jader. To, co je v jádře, je desetkrát až čtrnáctkrát hustší než celý atom. Protože v atomu je většina prostoru prázdná. Většina hmoty, jak ji známe, je prázdná. Jádra jsou jenom jakoby uprostřed.

Proto mluvíme o neutronových hvězdách, že jsou složené z neutronů jako jsou v jádrech atomů?

Důvod, proč jim říkáme neutronové hvězdy, spočívá v jejich vzniku. Když hvězda dohoří a zakončí svou existenci výbuchem supernovy, zůstanou po ní v podstatě jen neutrony. Ale nevíme, jestli to jsou pouze zhuštěné neutrony, anebo jestli je gravitační síly nepřeměnily na něco jiného. Například na hyperony, což jsou řekněme těžší „bratři“ neutronů, složené z jiných druhů kvarků.

Osmá objevená osamocená neutronová hvězda

Ale to není jediná možnost, je možné, že tam ještě je „polévka“ z plazmatu kvarků a gluonů. Ta sice nemá dostatečnou oporu, když uvážíme, jaké „recepty“ můžeme uvařit z takové polévky a jakou hmotnost a velikost mají neutronové hvězdy. Ovšem neutronové hvězdy jsou tak rozmanité co do hmotností a poloměrů, že je těžké jen z pohledu na hvězdu říci, co by mohlo být uvnitř.

Proto potřebujete dělat pokusy na Zemi, abyste to zjistili. Jak to vlastně zjišťujete?

Nemůžeme vytvořit malou neutronovou hvězdu. Jediné, co můžeme dělat, je postavit domněnku, co by mohlo být uvnitř, a potom zkoumat interakce mezi jednotlivými složkami. Protože když známe interakce, víme, jak se systém bude chovat navenek. Například když zkusíte zhustit systém, ve kterém se jednotlivé složky navzájem odpuzují, bude se bránit a příliš ho nezhustíte. Kdežto když máte složky, které se vzájemně přitahují, můžete ho hodně zhustit.

Nemůžeme si tedy sestavit celou hvězdu, ale vždycky si vezmeme dvě nebo tři složky. To zároveň znamená, že máme spoustu práce před sebou, protože to potřebujeme vztáhnout na skoro nekonečný systém. Výzkum poběží ještě desítky let, ale můžeme říci, že hlavní složky nebo přísady neutronových hvězd jsou interakce hadron-hadron. A to je to, co studuji já. Úplné základy, chcete-li.

Většina těch zvláštních částic ale na Zemi vydrží existovat jen maličký zlomek sekundy?

Přesně tak. Většina částic, o kterých mluvíme, se na Zemi rozpadá. Abychom je mohli zkoumat, musíme si je připravit, a pak musíme být rychlí. Skoro nikdy se nám nepodaří je vidět, než se rozpadnou, ale můžeme pozorovat produkty jejich rozpadu a zpětně rekonstruovat podstatu jejich mateřské částice.

Čtěte také

To je to, co obvykle děláme v pokusech na urychlovači LHC v CERNu. Můžeme vytvořit mnoho těchto vzácných částic, hyperonů, spolu s nukleony, které nejsou tak vzácné. Sledujeme jejich interakce pomocí detektoru, což není nic jiného než fotoaparát, který snímá produkci částic a pak jejich rozpad. Když zkombinujeme částice příhodným způsobem, můžeme zkoumat jejich interakce.

Co vás na této práci nejvíc zajímá?

Vždycky jsem chtěla vědět, jak fungují síly mezi mnoha částicemi najednou. Víme, jak spolu interagují dvě částice. Víme v průměru, jak jich interaguje více, ale nejsme schopni přesně zjistit, jak to je se třemi nebo čtyřmi. Je to výpočetní, ale i experimentální problém. Potřebujeme najít způsob, jak navrhnout pokusy, které by nám to pomohly objasnit. A samozřejmě neutronové hvězdy jsou hezká aplikace tohoto problému.

Po pravdě řečeno, chtěla bych zjistit, jak částice interagují. Proč je hmota, ze které jsme složeni, taková, jaká je. Kvarky se spojují do hadronů a ve skutečnosti spolu stále interagují, protože to je všechno propojené dohromady. To je jeden z příkladů toho, co bychom rádi objasnili.

autoři: Martin Srb , aka
Spustit audio

Související

Více z pořadu

E-shop Českého rozhlasu

Víte, kde spočívá náš společný ukrytý poklad? Blíž, než si myslíte!

Jan Rosák, moderátor

slovo_nad_zlato.jpg

Slovo nad zlato

Koupit

Víte, jaký vztah mají politici a policisté? Kde se vzalo slovo Vánoce? Za jaké slovo vděčí Turci husitům? Že se mladým paním původně zapalovalo něco úplně jiného než lýtka? Že segedínský guláš nemá se Segedínem nic společného a že známe na den přesně vznik slova dálnice? Takových objevů je plná knížka Slovo nad zlato. Tvoří ji výběr z rozhovorů moderátora Jana Rosáka s dřívějším ředitelem Ústavu pro jazyk český docentem Karlem Olivou, které vysílal Český rozhlas Dvojka.