Tisíckrát silnější než běžné neutronové hvězdy: Vědci modelovali, jak se rodí vesmírná magnetická monstra

Neutronové hvězdy patří k nejextrémnějším objektům ve vesmíru. Jejich magnetická pole jsou obrovská, ale existují i ještě mnohem výjimečnější exempláře – magnetary. Ty dokážou vytvořit magnetická pole až tisíckrát silnější než běžné neutronové hvězdy.

Nové počítačové simulace naznačují, že jedním ze způsobů jejich vzniku může být splynutí dvou neutronových hvězd, při němž se magnetické pole dramaticky zesílí během pouhé milisekundy.

Hvězdy, které vzdorují představám

Neutronové hvězdy vznikají jako pozůstatky některých hmotných hvězd, které na konci svého života explodují jako supernovy. Jejich hmota se přitom stlačí do mimořádně malého prostoru: objekt o hmotnosti srovnatelné se Sluncem může mít průměr pouhých několika desítek kilometrů. Výsledkem je těleso s neuvěřitelnou hustotou a extrémními fyzikálními vlastnostmi.

K těm patří také magnetické pole. Už u běžných neutronových hvězd dosahuje jeho povrchová intenzita hodnot přibližně stotisíckrát vyšších, než jaké dokážeme vytvořit nejsilnějšími magnety na Zemi.

Zhruba jedno procento těchto hvězd však představuje ještě mnohem extrémnější kategorii. Říká se jim magnetary a jejich magnetická pole mohou být až tisíckrát silnější než u běžných neutronových hvězd.

Tým Kenty Kiuchiho z Institutu Maxe Plancka pro fyziku gravitace zkoumal, zda mohou magnetary vznikat při splynutí dvou neutronových hvězd. Výsledky výzkumu vědci zveřejnili v zatím nerecenzované studii na serveru arXiv.

Když se spojí dvě neutronové hvězdy

Srážky neutronových hvězd patří k nejdramatičtějším událostem ve vesmíru. Dvě tělesa obíhající kolem společného těžiště postupně ztrácejí energii vyzařováním gravitačních vln, až se nakonec spojí. Výsledkem bývá černá díra, protože celková hmotnost soustavy často překračuje mez, nad níž už neutronová hmota nedokáže odolat vlastní gravitaci.

Tato hranice se označuje jako Tolmanova–Oppenheimerova–Volkoffova mez neboli TOV mez. Její přesná hodnota závisí na vlastnostech extrémně husté hmoty uvnitř neutronových hvězd; orientačně se pohybuje kolem 2,6násobku hmotnosti Slunce.

Ne každá dvojice však musí skončit černou dírou. Pokud jsou obě neutronové hvězdy dostatečně lehké a jejich společná hmotnost nepřekročí kritickou mez, může po splynutí vzniknout jediná, hmotnější neutronová hvězda. Právě v takovém případě by se podle nové studie mohl zrodit magnetar.

Aby vědci zjistili, co se při podobné srážce odehrává, využili japonský superpočítač FUGAKU, na kterém provedli podrobné simulace splynutí dvojic neutronových hvězd s relativně nízkou hmotností. Pro zjednodušení výpočtů předpokládali, že obě hvězdy mají stejnou hmotnost. Jejich ostatní vlastnosti přitom odpovídaly běžným neutronovým hvězdám.

Počáteční magnetická indukce jejich polí dosahovala přibližně tří bilionů gaussů, tedy hodnoty na horním okraji typického rozmezí pro neutronové hvězdy. Simulace zachycovaly závěrečné okamžiky před srážkou i dění bezprostředně po kontaktu obou těles.

Jak se rodí magnetické monstrum

Klíčovou roli při vzniku magnetaru podle simulací sehrává turbulence v extrémně husté neutronové hmotě. Při splynutí se materiál obou hvězd prudce rozvíří a složité proudění může magnetické pole dramaticky zesílit.

Výsledky naznačují, že magnetické pole nově vzniklé neutronové hvězdy by mohlo být více než třistakrát silnější než původní pole obou jejích předchůdkyň. K takovému nárůstu by přitom mohlo dojít během pouhé jedné milisekundy – tedy za tisícinu sekundy.

To je mimořádně rychlá proměna i na poměry dějů, které se odehrávají při srážkách neutronových hvězd. A zesílení navíc nemusí končit tam, kde se zastavily výpočty.

Další turbulentní procesy by podle vědců mohly magnetické pole posílit ještě výrazněji. Jejich podrobné modelování však už přesahovalo možnosti této studie.

Simulace tak nabízejí fyzikálně zajímavé vysvětlení, jak by při splynutí dvou neutronových hvězd mohl vzniknout magnetar. Zatím jde o výsledek počítačového modelování, nikoli o přímé pozorování zrodu takového objektu, pokud se ale tento scénář potvrdí, pomůže astronomům lépe pochopit, odkud se berou jedny z nejextrémnějších magnetických polí v celém vesmíru.