Australští vědci opakovaně zabíjejí virtuální hvězdy: Cílem je studium gravitačních vln

Hvězdy jsou obrovské koule rozžhavených plynů vyrábějící energii díky termojaderným procesům ve svém nitru. Jakmile hvězda palivo spotřebuje, rovnováha se poruší, převládne gravitace a hvězda se začne smršťovat. Další vývoj pak závisí na její okamžité hmotnosti: když nepřesáhne 1,44 hmotnosti Slunce, zastaví se hroucení hvězdy ve stadiu tělesa planetárních rozměrů s povrchovou teplotou 10–100 tisíc stupňů (v závislosti na hmotnosti), jež se označuje jako bílý trpaslík. Průměrná hustota bílého trpaslíka převyšuje zhruba milionkrát hustotu Slunce.

Hvězdy s hmotností v rozmezí 1,44 až 8 Sluncí se smršťují rychleji. Přeskočí stadium bílého trpaslíka a svou existenci ukončí v podobě neutronových hvězd s rozměry v desítkách kilometrů, avšak s extrémní hustotou. Vznik neutronové hvězdy je provázen uvolněním obrovského množství energie – v atmosféře hvězdy se začne spalovat vodík a dojde k masivnímu nukleárnímu výbuchu. Většina její hmoty je doslova rozmetána po okolí, přičemž se od místa exploze vzdaluje rychlostí kolem 30 000 km/s. Popisovaný proces pozorují astronomové jako výbuch supernovy.

Co se děje při zhroucení hvězdy?

Termín supernova se vztahuje k několika typům hvězdných explozí. Jejich důsledkem je výskyt extrémně zářících objektů, jejichž jasnost posléze v průběhu týdnů či měsíců opět mnohonásobně poklesne.

K prvnímu typu explozí dochází, když masivní hvězda vyčerpá ve svém nitru zásoby paliva pro termojaderné reakce a začne se hroutit silou vlastní gravitace. Uvnitř tělesa tak dojde k prudkému nárůstu teploty.

Druhý typ exploze nastává v případě, že na bílého trpaslíka dopadá materiál z jeho hvězdného průvodce – druhé složky dvojhvězdy; po nahromadění dostatečné zásoby hmoty dojde k termonukleární explozi. V obou případech rozmetá výsledná exploze obrovskou silou do okolí téměř všechnu hmotu hvězdy (nebo její velkou část).

Zabití obří hvězdy

Při explozi supernovy se velká část hmotnosti hvězdy přemění na energii a zbytek se zhroutí vlastní hmotností. Pokud je hmotnost hvězdy dostatečně vysoká, smrští se její materiál do malého rozměru (průměr několika kilometrů) a vznikne černá díra. Právě poslední popsaný scénář se rozhodli ověřit vědci z australského výzkumného centra při univerzitě v Melbourne‎ (Swinburne University of Technology). 

TIP: Gravitační astronomie: Jak přesně změřit velikost neutronové hvězdy?

S pomocí superpočítače OzSTAR, s maximálním výkonem přes 1 000 teraFLOPS (10¹̶²), simulovali exploze tří supernov 39×, 20× a 18× hmotnějších než naše Slunce. Počítačové modely vědci hodlají využít k návrhům citlivějších detektorů gravitačních vln – především pak Einsteinova dalekohledu, který by měl svoji činnost zahájit v roce 2025.

Počítačové simulace ale přinesly i zajímavé praktické poznatky. Zatímco dvě větší hvězdy generovaly energetické exploze poháněné neutriny, u nejmenší z hvězd se toto vědcům nepodařilo. Nejmenší hvězda sice vygenerovala gravitační vlny s nižší amplitudou, ale v nejlépe detekovatelném spektru. Ukázalo se také, že zásadní vliv na podobu gravitačních vln má rotace nově vznikající neutronové hvězdy.