Hádanka moderní astronomie - na neutronových hvězdách zjevně nejsou hory

Neutronové hvězdy, jak se zdá, nemají pohoří. Přitom by na  nich mohly útvary podobné horám klidně existovat. Odkud to víme a jak se s touto hádankou věda vyrovnává? (délka blogu 3 min.)   

Zdá se, že neutronové hvězdy jsou téměř dokonalé koule. Jejich povrch nebude zvrásněný a “hory” na nich nebudou vyšší než několik milimetrů. 

Pulsary - rychle rotující neutronové hvězdy

Pulsary byly poprvé pozorovány v roce 1967 na univerzitě v Cambridgi radioastronomy Jocelyn Bell a Antony Hewish. Až do oné chvíle byly předpoklady pro jejich existenci pouze teoretické. Praxe ale teorii potvrdila. Pulsary jsou neutronové hvězdy, tedy zhroucená jádra extrémně hmotných hvězd, kterým došlo palivo. V jejich nitru vznikl nejtěžší prvek, při jehož syntéze se uvolňuje energie. Všechny ostatní prvky ji ke svému vzniku spotřebovávají. Obrovská hvězda pak už nemohla odolávat své vlastní gravitaci, vnitřně se zhroutila a poté vybuchla y jako supernova. Poté, co se po výbuchu situace uklidnila, zůstal na místě bývalé hvězdy relativně malý útvar s obrovskou hustotou.  

Ten zato velmi rychle rotuje - jednu otočku zvládne taková hvězda za několik sekund a dokonce i několik milisekund. Znamená to, že se povrchy takových hvězd otáčejí zhruba až 10% rychlosti světla. Mívají přitom hmotnost o něco větší než naše Slunce (~2,8 × 10 30?kg), která je ovšem koncentrovaná do koule o poloměru přibližně 10 km. Hmota takových hvězd je tedy asi 40 000 miliardkrát hustší než olovo.

Obrovská jsou také jejich magnetická pole. Jsou miliardkrát až několik tisíc miliardkrát silnější než magnetické pole Země. 

Z magnetických pólů takových hvězd uniká vysoce energetické záření. Magnetický pól nemusí být totožný s pólem rotace - hvězda tedy působí jako rychle blikající maják. 

Neutronové hvězdy a jejich hory

Neutronová hvězda se skládá z kůry a vnitřní části hvězdy. Kůru neutronové hvězdy si můžeme představit jako pevnou vrstvu na jejím povrchu. Skládá se z poškozených jader těžkých chemických prvků. Kůra kryje nesmírně hustou “kaši” z neutronů, která tvoří hlavní část hvězdy. Kůra sama bude mít tloušťku kolem 1 km, vypočítali vědci. Je to zároveň také nejméně hustá část hvězdy. 

I na takovém extrémním objektu mohou vznikat zlomy, hory nebo spíše jakési boule. Může to být způsobeno extrémním napětím v kůře, které se vytváří díky enormním elektromagnetickým polím nebo při změně rychlosti rotace neutronové hvězdy. “Hora” může existovat na povrchu také už od samého počátku, kdy vznikla při samotné explozi supernovy. Je jen logické, že se při výbuchu mohou asymetrie prohlubovat. Koneckonců ani hmota, která kolem původní hvězdy následně tvoří mlhovinu, není absolutně symetrickou koulí. 

Bez ohledu na to, co způsobuje vznik hor, je jejich velikost omezena množstvím napětí, které může kůra vydržet, než se zlomí. Čím je kůra neutronové hvězdy silnější, tím vyšší hory na ní mohou existovat. 

Vědci se nyní zabývali potenciálními jevy v kůře neutronových hvězd a modelovali procesy, které tam mohou probíhat. 

Ukázalo se, že hory na takových hvězdách budou daleko nižší než se původně předpokládalo. Jejich výška se nebude pohybovat v řádu centimetrů ale spíše milimetrů. 

Neutronové hory - a vlny v časoprostoru

Potvrzení pro tento model nabízí gravitační astronomie. 

Pokud existuje na povrchu rychle rotující neutronové hvězdy (pulsaru) nějaká znatelná “hora”, musí generovat gravitační vlny. 

Pro srovnání - neutronová hvězda je tak malý objekt, že deseticentimetrová boule na jejím povrchu by odpovídala zhruba padesátimetrové duně na povrchu naší vlastní Země. I tak malý objekt musí ale v podmínkách, které na neutronové hvězdě panují, vytvořit znatelné a zaznamenatelné narušení časoprostoru. 

Vědci umí odhadnout charakter (maximální amplitudu) gravitačních vln, vyvolaných rychle rotující neutronovou hvězdou - a vydali se je sledovat. Nic ale nenašli. A není to nutně tím, že by měli jen nedokonalé a málo citlivé detektory. Zdá se tedy, že hory na pulsarech jsou skutečně daleko nižší, než se původně předpokládalo. 

Zdroje:https://doi.org/10.1093/mnras/staa3635, https://www.ligo.org/science