Neutronová hvězda

Rozbalit box

Obsah boxu

Neutronová hvězda je extrémně husté astronomické těleso tvořené převážně neutrony, které je udržováno pohromadě silnou gravitační silou. Jedná se o jedno z možných závěrečných stádií vývoje velmi hmotných hvězd a vzniká jako pozůstatek po výbuchu supernovy typu Ib, Ic nebo II. Tyto objekty představují nejhustší známou formu hmoty ve vesmíru, která je přímo pozorovatelná, a jejich studium poskytuje unikátní vhled do chování hmoty za extrémních podmínek.

⏳ Historie objevu a výzkumu

Koncept neutronové hvězdy byl teoreticky předpovězen již ve 30. letech 20. století. V roce 1933 Fritz Zwicky a Walter Baade navrhli existenci těchto objektů jako pozůstatků po výbuších supernov. Jejich předpověď úzce souvisela se snahou vysvětlit obrovský zářivý výkon supernov. Zwicky s Baadem byli přesvědčeni, že při explozi supernovy se uvolňuje obrovské množství energie a že její největší část je odnesena ultrafialovými paprsky.

První experimentální důkaz existence neutronových hvězd přišel až v roce 1967, kdy Jocelyn Bell Burnellová, tehdy mladá asistentka Antonyho Hewishe, objevila při práci s radioteleskopem v Cambridge velmi pravidelné pulzy rádiového záření. Tyto pulzy byly natolik přesné, že zpočátku vedly k úvahám o možném původu od mimozemské civilizace, a objekt byl dokonce neformálně pojmenován LGM-1 (Little Green Men 1 – Malí zelení mužíčci 1). Brzy se však ukázalo, že se jedná o rychle rotující neutronovou hvězdu, jejíž magnetická osa není totožná s rotační osou, což vytváří efekt podobný majáku. Tyto rotující neutronové hvězdy jsou dnes známy jako pulsary.

Výzkum neutronových hvězd pokračuje i v současnosti. Například v roce 2017 byl na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS) umístěn přístroj NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer), který má za cíl zkoumat složení vnitřních vrstev těchto objektů. V roce 2021 se vědcům pomocí NICERu podařilo poprvé zmapovat povrch neutronové hvězdy J0030+0451, což odhalilo složitější strukturu magnetického pole, než se původně předpokládalo.

⚛️ Fyzikální vlastnosti

Neutronové hvězdy jsou jedny z nejextrémnějších objektů ve vesmíru, pokud jde o jejich fyzikální vlastnosti.

Hmotnost a hustota

Typická neutronová hvězda má hmotnost v rozmezí od 1,35 do 2,1 slunečních hmot. Některé teoretické modely připouštějí hmotnost až 3–5 slunečních hmot, což je hodnota známá jako Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez. Překročení této meze by vedlo ke kolapsu objektu do černé díry. Tato obrovská hmota je stlačena do průměru pouhých 10 až 20 kilometrů, což je srovnatelné s velikostí menšího města.

Díky tomuto extrémnímu stlačení dosahují neutronové hvězdy neuvěřitelných hustot. Průměrná hustota se pohybuje kolem 10¹⁷ kg/m³, což odpovídá hustotě atomového jádra. Pro představu, jedna čajová lžička materiálu neutronové hvězdy by na Zemi vážila miliardy tun.

Gravitace

Gravitační pole neutronových hvězd je mimořádně silné. Je tak intenzivní, že dokáže stahovat světlo procházející kolem jejich povrchu, což vytváří optický efekt podobný tomu u černých děr. Nicméně, na rozdíl od černých děr, gravitace neutronových hvězd není natolik silná, aby světlo zcela zadržela, a světlo tak může jejich gravitační pole opustit.

Magnetické pole

Neutronové hvězdy mají také extrémně silná magnetická pole, která jsou bilionkrát silnější než magnetické pole Země. Magnetická indukce může dosahovat hodnot 10⁶ až 10⁹ T. Toto pole vzniká zhroucením původní hvězdy, kdy se siločáry magnetického pole koncentrují do mnohem menšího objemu.

Rotace

Neutronové hvězdy rotují velmi rychle, s periodami od několika milisekund do několika sekund. Rychlost rotace se zvyšuje při kolapsu původní hvězdy, podobně jako se bruslařka zrychlí, když přitáhne ruce k tělu. Rotace se postupně zpomaluje v důsledku ztráty energie, například magnetodipólovým zářením.

Teplota a struktura

Centrální teplota nově vzniklé neutronové hvězdy může dosahovat až 10¹² K, ale velmi rychle chladne. Povrchová teplota se pohybuje v řádu statisíců až milionů Kelvinů.

Na základě současných modelů se předpokládá, že povrch neutronové hvězdy se skládá z klasických atomových jader a elektronů. Pod povrchem se tlak a hustota extrémně rychle zvyšují. Vnější kůra by měla být tvořena iontovou mřížkou neutronové supertekutiny, zatímco vnější jádro by mohly tvořit elektrony, neutrony a supravodivé protony. Novější studie z roku 2022 naznačují, že existují dva druhy neutronových hvězd: "lehké" (pod 1,7 sluneční hmotnosti) s měkkým pláštěm a tuhým jádrem, a "těžké" (nad 1,7 sluneční hmotnosti) s tuhým pláštěm a měkkým jádrem.

🌌 Vznik a vývoj

Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných hvězd, jejichž počáteční hmotnost se pohybuje v rozmezí od 8 do 20 slunečních hmot. Když takové hvězdě dojde palivo pro termonukleární reakce, její jádro se zhroutí pod vlastní gravitací. Během tohoto procesu jsou elektrony vtlačeny do protonů v atomových jádrech, čímž se přemění na neutrony a uvolní se obrovské množství neutrin. Tento proces se nazývá neutronizace a vede ke vzniku tzv. neutronového degenerovaného plynu.

Následně dojde k masivní explozi, známé jako supernova, která odvrhne vnější vrstvy původní hvězdy do mezihvězdného prostoru. Na místě původní hvězdy zůstane jen ultrahusté jádro – neutronová hvězda.

Neutronové hvězdy se mohou také vyvíjet v binárních systémech. V některých případech, kdy je neutronová hvězda součástí takového systému, může na ni přetékat hmota od jejího souputníka, což vede ke vzniku horkých skvrn vysílajících rentgenové a gama záření.

💫 Typy neutronových hvězd

Mezi hlavní typy neutronových hvězd patří:

Pulsary – Jsou to rychle rotující neutronové hvězdy, které vyzařují svazky elektromagnetického záření z magnetických pólů. Pokud tyto svazky protínají Zemi, jsou pozorovány jako pravidelné pulzy, podobně jako maják. Všechny pulsary jsou neutronové hvězdy, ale ne všechny neutronové hvězdy jsou pozorovány jako pulsary, protože jejich záření nemusí směřovat k Zemi. V současnosti je známo přes 3 000 radiových pulsarů. Nejrychlejší pulsary mají frekvenci v milisekundách.
Magnetary – Jsou to neutronové hvězdy s mimořádně silnými magnetickými poli, která mohou být až tisíckrát silnější než u běžných pulsarů. Jejich magnetická pole jsou natolik silná, že dokáží deformovat kůru hvězdy a způsobovat obří hvězdná zemětřesení, která se projevují jako silné záblesky rentgenového a gama záření.
Rentgenové dvojhvězdy – V těchto systémech neutronová hvězda akreuje (přitahuje) materiál od svého hvězdného souputníka. Akreovaná hmota se spirálovitě pohybuje k povrchu neutronové hvězdy, zahřívá se na vysoké teploty a vyzařuje intenzivní rentgenové záření.

Nedávné výzkumy naznačují, že všechny typy neutronových hvězd, včetně magnetarů, se řídí stejným univerzálním vztahem, který popisuje, jak produkují rádiové záření.

🔭 Pozorování a výzkum

Pozorování neutronových hvězd je náročné, protože se jedná o velmi malé a slabě zářící objekty, pokud nejsou součástí binárního systému nebo se neprojevují jako pulsary. Vzhledem k vysoké povrchové teplotě vysílají hlavně ultrafialové a rentgenové záření.

Moderní astronomie využívá k jejich studiu různé metody:

Rádiová astronomie – Klíčová pro detekci pulsarů, kde se sledují pravidelné pulzy rádiových vln.
Rentgenová astronomie – Používá se k pozorování rentgenových dvojhvězd a magnetarů, které emitují intenzivní rentgenové záření.
Gravitační vlny – Detekce gravitačních vln ze srážek neutronových hvězd (např. událost GW170817 v roce 2017) poskytla cenné informace o jejich velikosti a vnitřní struktuře. Tyto srážky jsou také považovány za hlavní zdroj těžkých prvků, jako je zlato a uran, ve vesmíru.
Vesmírné observatoře – Projekty jako NICER na ISS se zaměřují na přesné měření povrchu a vnitřní struktury neutronových hvězd.

V roce 2025 přinesl výzkum nové poznatky o krátkých rádiových záblescích (FRB), z nichž část pravděpodobně pochází z velmi mladých neutronových hvězd s rychle se měnícím magnetickým polem. Rovněž bylo zjištěno, že na neutronových hvězdách mohou vznikat polární záře, podobně jako na planetách, což potvrzují i pozorování NASA pomocí rentgenové observatoře Chandra. Tato zjištění přispívají k lepšímu pochopení interakcí nabitých částic v extrémních magnetických polích.

Neutronové hvězdy jsou také důležitými laboratořemi pro studium hmoty v extrémních podmínkách a pro testování základních fyzikálních teorií, včetně hledání hypotetické páté fyzikální síly.

💡 Pro laiky

Představte si, že naše Slunce je obrovský nafukovací míč. Když taková hvězda, která je mnohem, mnohem větší než naše Slunce, spotřebuje všechno své palivo, stane se něco neuvěřitelného. Místo aby se jen tak vyfoukla, celá se zhroutí sama do sebe. Ale nezhroutí se do černé díry, která všechno pohltí, ale do něčeho, co je jako super-miniaturní, super-těžká kulička.

Ta kulička se jmenuje neutronová hvězda. Je tak malá, že by se celá vešla do Prahy, ale je neuvěřitelně těžká. Představte si, že byste vzali celou horu Mount Everest a stlačili ji do velikosti jedné čajové lžičky. Ta lžička by pak vážila miliardy tun! Celá neutronová hvězda je tak těžká, jako byste měli dvě Slunce nacpaná do kuličky o průměru asi 20 kilometrů.

Tato kulička je složená hlavně z neutronů, což jsou malé částečky, které normálně najdete uvnitř atomů. Jsou tak namačkané na sebe, že mezi nimi není skoro žádné místo. Neutronové hvězdy se také velmi rychle točí, někdy i stokrát za sekundu, a mají obrovské magnety, mnohem silnější než jakýkoliv magnet na Zemi. Někdy z nich vystřelují paprsky světla, jako z majáku, a my je pak na Zemi vidíme jako blikající světýlka – těm říkáme pulsary.

Vědci studují tyto úžasné objekty, aby lépe pochopili, jak funguje vesmír a co se stane s hmotou, když je pod tak obrovským tlakem. Je to jako koukat se na nejmenší, nejrychlejší a nejtěžší věci ve kosmu najednou!

Související články