Co je neutronová hvězda: definice, vlastnosti a typy
Co je neutronová hvězda: objevte definici, extrémní vlastnosti, typy (pulsary, magnetary, binární) a fascinující fakta o hustotě, magnetismu a rychlé rotaci.
Neutronová hvězda je velmi malá a hustá hvězda složená téměř výhradně z neutronů. Typické neutronové hvězdy mají poloměr přibližně 11–11,5 km a jejich hmotnost je často kolem 1,4 až ~2krát hmotnosti Slunce. Jsou to jedny z nejmenších a nejhustších známých objektů ve vesmíru, vzniklé jako pozůstatek obrovské hvězdy, která explodovala jako supernova.
Vznik a složení
Po vyčerpání paliva v jádře masivní hvězdy dojde ke kolapsu jádra a následné supernově. Při kolapsu jsou protony a elektrony v obrovském tlaku přeměněny na neutrony, takže zbylý objekt je tvořen převážně neutrálními neutrony. Struktura neutronové hvězdy bývá složitá: tenká atmosféra a pevná kůra z atomových jáder, pod ní exotické vrstvy s volnými neutrony a v hloubce možná superfluidní neutronové jádro, hyperony nebo dokonce kvarková hmota — přesné složení závisí na ne zcela prozkoumaném „rovnovážném stavu“ hmoty při extrémních hustotách (tzv. equation of state).
Hustota, hmotnost a gravitační pole
Hustota neutronové hvězdy je srovnatelná s hustotou jádra atomu. Pro představu: celou hmotnost našeho Slunce (průměr ~ 1 392 000 km) by bylo možné stlačit do koule o průměru desítek kilometrů; mnohem názornější je, že jedna čajová lžička hmoty z neutronové hvězdy by vážila přibližně 6 miliard tun. Gravitační pole na povrchu je extrémní — řádově asi 2×1011krát silnější než na Zemi.
Magnetické pole a teplota
Magnetické pole neutronových hvězd může být obrovské: běžné hodnoty jsou v řádu 108 až 1015krát silnější než magnetické pole Země. U nejsilnějších exemplářů, tzv. magnetarů, může magnetické pole vyvolávat rentgenové a gama záblesky. Povrchová teplota přesahuje stovky tisíc až miliony kelvinů; u pozorovatelných neutronových hvězd se často uvádí řád ~600 000 K (povrchová záření může být silné především v rentgenové oblasti).
Otáčení a typy
Neutronové hvězdy se mohou otáčet velmi rychle — periody rotace se pohybují od milisekund (≈0,001 s u tzv. milisekundových pulsarů) až po desítky sekund. Rychlá rotace společně s intenzivním magnetickým polem vytváří paprsky elektromagnetického záření, které při pravidelném průchodu směrem k Zemi vnímáme jako pulzy: tyto objekty nazýváme pulsary. Mezi hlavní typy patří:
- Pulsary: rotující neutronové hvězdy vysílající pravidelné rádiové (a často i rentgenové/optické) pulzy.
- Magnetary: neutronové hvězdy s extrémně silným magnetickým polem, které mohou produkovat silné rentgenové a gama výboje.
- Binární pulsary: neutronové hvězdy v systému s jinou hvězdou (bílým trpaslíkem, hvězdou hlavní posloupnosti nebo dalším neutronem), kde dochází k akreci, přenosu hmoty a dalším fenoménům.
Pozorování a význam
Neutronové hvězdy pozorujeme různými způsoby: rádiové pulsace, rentgenové a gama záření, a od roku 2017 také pomocí gravitačních vln (spojení dvou neutronových hvězd — událost GW170817) doprovázené elektromagnetickým „kilonovovým“ zábleskem, který vyrobil těžké prvky (r-process). Studium neutronových hvězd nám pomáhá zkoumat chování hmoty při nejvyšších hustotách, vlastnosti jaderné fyziky a mechanismy vzniku těžkých prvků ve vesmíru.
Limity a chladnutí
Maximální hmotnost neutronové hvězdy není přesně známa a závisí na předpokladech o vnitřní struktuře (rovnovážný stav hmoty). Teoretické odhady (Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit) udávají hranici zhruba mezi 2 až 3 hmotnostmi Slunce; nad tímto limitem by objekt zhroutil do černé díry. Po vzniku neutronová hvězda chladne především vyzařováním neutrin a později elektromagnetickým zářením; proces chladnutí a vnitřní superfluidní vlastnosti jsou předmětem intenzivního výzkumu.
Neutronové hvězdy představují extrémní laboratoř pro fyziku: spojují astrofyziku, jadernou fyziku a relativistickou gravitaci a jejich studium odhaluje vlastnosti hmoty a sil, které nelze zkoumat v pozemských podmínkách.
Záření z pulzaru PSR B1509-58, rychle rotující neutronové hvězdy, způsobuje, že blízký plyn září v rentgenovém záření (zlatá barva, z Chandry) a osvětluje zbytek mlhoviny, zde v infračerveném záření (modrá a červená barva, z WISE).
Model, který ukazuje, jak by neutronová hvězda vypadala zevnitř.
Historie
V roce 1934 Walter Baade a Fritz Zwicky navrhli existenci neutronových hvězd, pouhý rok po objevu neutronu Jamesem Chadwickem.
Při hledání původu supernovy navrhli, že při výbuchu supernovy se obyčejné hvězdy mění na hvězdy, které se skládají z extrémně hustě nabalených neutronů, které nazvali neutronové hvězdy. Baade a Zwicky předpokládali, že uvolnění gravitační vazebné energie neutronových hvězd pohání supernovu: "V procesu supernovy dochází k anihilaci objemové hmoty".
Neutronové hvězdy byly považovány za příliš slabé na to, aby je bylo možné detekovat. Až do listopadu 1967, kdy Franco Pacini (1939-2012) upozornil na to, že pokud neutronové hvězdy rotují a mají velké magnetické pole, pak vyzařují elektromagnetické vlny, se na nich pracovalo jen málo. Radioastronom Antony Hewish a jeho výzkumný asistent Jocelyn Bell v Cambridgi brzy detekovali rádiové pulzy z hvězd, které jsou dnes známy jako pulsary.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to neutronová hvězda?
Odpověď: Neutronová hvězda je velmi malá a hustá hvězda, která je téměř celá tvořena neutrony. Její poloměr je asi 11-11,5 km a hmotnost je asi dvakrát větší než hmotnost Slunce.
Otázka: Jak hustá je neutronová hvězda?
Odpověď: Hustota hvězdy je podobná hustotě jádra atomu a její gravitační pole na povrchu je 2x1011krát silnější než na Zemi. Pro představu, veškerá hmota našeho Slunce by se dala stlačit do koule o průměru 19 kilometrů. Jedna čajová lžička hmoty z neutronové hvězdy by vážila 6 miliard tun.
Otázka: Jak rychle rotují neutronové hvězdy?
Odpověď: Neutronové hvězdy se otáčejí velmi rychle, od 0,001 sekundy do 30 sekund na otočení.
Otázka: Jaké typy existují?
Odpověď: Existují různé typy, například pulsary, magnetary a binární pulsary, které vysílají paprsky elektromagnetického záření nebo mají silné magnetické pole 108 až 1015krát silnější než na Zemi.
Otázka: Jakou mají obvykle teplotu?
Odpověď: Pozorovatelné neutronové hvězdy jsou velmi horké a jejich povrchová teplota se obvykle pohybuje kolem 600 000 K (600 000 stupňů Kelvina).
Vyhledávání