Když neutronové hvězdy tančí

Šestnáctého října oznámilo několik vědeckých organizací (Evropská jižní observatoř ESO, konsorcium LIGO/Virgo, Hubbleův kosmický dalekohled) historicky první pozorování elektromagnetického záření, vycházejícího ze stejného zdroje jako gravitační vlny. Dveře k nové fyzice se opět trochu pootevřely.

Stručná historie objevu je asi taková: 17. srpna 2017 ve 12:41:04 Světového času naměřily detektory gravitačních vln LIGO (v USA) signál, který vyhlížel zajímavě. Třetí detektor Virgo (v Itálii), který pozoroval, ale nic neviděl, pomohl upřesnit polohu zdroje. O dvě sekundy po příchodu gravitačních vln změřily satelity Fermi Gamma-ray Burst telescope (NASA) a INTEGRAL (ESA) slabý gama záblesk s krátkou dobou trvání ze stejné oblasti na obloze. Hned v noci začaly optické a infračervené dalekohledy na Zemi pátrat. Snažily se najít zdroj gravitačních vln a záblesku, což nebyl úplně jednoduchý úkol i přes poměrně přesné určení polohy. Byl nalezen zdroj – tedy náhle se objevivší svítící objekt – v galaxii NGC 4993. Potom už se do práce pustily i velké dalekohledy jako Very Large Telescope (VLT) na chilské hoře Cerro Paranal. Celkem do konce srpna pozorovalo tento objekt 70 dalekohledů světa, z toho sedm, které provozuje Evropská jižní observatoř (a které dokázaly obsáhnout velkou část optického a infračerveného spektra). Dalekohledy ESO (a podobně umístěné přístroje) pracovaly až do konce srpna, pak přestala být galaxie pozorovatelná (protože už byla moc blízko ke Slunci).

LIGO v USA provozuje dvě detekční stanice: jednu u Hanfordu ve východním Washingtonu, druhou u Livingstonu ve státě Louisiana (na snímku).Snímek LIGO

Pozorování – první detekce gravitačních vln ze splývajících neutronových hvězd a první detekce elektromagnetického protějšku gravitačního signálu – je zajímavé samo o sobě, ale ještě zajímavější je jeho zasazení do širšího astrofyzikálního rámce. K tomu potřebujeme trochu delší historii objevu.

Vůbec poprvé byly gravitační vlny změřeny před dvěma roky. Od té doby máme pět potvrzených detekcí, z toho čtyři signály vznikly splýváním černým děr a pátý, ten, o němž je řeč, mají na svědomí neutronové hvězdy. Z měření gravitačních vln dokážeme určit vzdálenost objektu a jeho hmotnost. Směr se určuje hůře, z rozdílu časového příchodu signálu na různých detektorech. Z teoretických výpočtů plyne, že interakce pouze mezi černými děrami nevede ke vzniku elektromagnetického signálu (zatímco splývání neutronových hvězd ano), a navíc všechny předchozí signály pocházely z velmi vzdálených objektů, u nichž by bylo pozorování v optické či jiné oblasti elektromagnetického spektra velmi obtížné. Naopak GW170817 byl poměrně blízko (130 milionů světelných let), takže vlastně poprvé jsme měli šanci vidět kromě gravitačního signálu i něco jiného.

Gama záblesky (tj. náhlé výtrysky energie v oboru gama záření) se dělí na dvě velké skupiny. Ta početnější, tzv. gama záblesky s dlouhým trváním, jsou spojovány s gravitačním kolapsem velmi hmotných hvězd, při kterém dochází také k prudkému vzrůstu optické svítivosti objektu (k supernově). Pozorujeme je v galaxiích s aktivní tvorbou hvězd, což je samozřejmě v pořádku – hmotné hvězdy žijí jen velmi krátce, několik milionů let, a proto se dlouhé gama záblesky musí vyskytovat jen v místech, kde se hvězdy právě aktivně tvoří (milion let v životě galaxie je jen okamžik). Kdybychom někdy pozorovali takovýto záblesk v místech bez tvorby hvězd, má naše teorie trhliny. Naopak gama záblesky s krátkým trváním s tvorbou hvězd spojovány nejsou. Dlouhou dobu trvalo, než se vůbec podařilo jejich optické protějšky naměřit (jsou totiž slabší, proto se pozorují hůře). A pocházejí z galaxií, které už hvězdy netvoří. Za vhodný model vzniku těchto krátkých záblesků je považováno splývání neutronových hvězd, které dobře vysvětluje místa výskytů záblesků a jejich menší svítivost.

Oficiální video, představující objev.

Snímek ESO

Takže z teorie a simulací víme, že splývání neutronových hvězd vede ke vzniku gravitačních vln a také k záblesku gama. A to není všechno. Samotný jev je provázen vyvrhnutím části hmoty do okolí a zjasněním v optické oblasti. Toto zjasnění není tak výrazné jako u supernovy, ale pořád je dost velké – obvykle se mu říká kilonova (případně makronova). Vyvržená hmota by navíc měla mít zajímavé chemické složení (je to hmota, která už prošla různými fázemi hvězdné nukleosyntézy) a díky intenzivnímu toku neutronů v ní probíhají tzv. r-procesy, což jsou termonukleární reakce, při kterých jádra těžkých prvků zachycují neutrony rychleji, než se stačí rozpadat beta rozpadem. R-procesy vedou ke vzniku mnoha těžkých prvků, které ve vesmíru (a samozřejmě na Zemi) pozorujeme, např. lanthanoidy či aktinoidy, ale také třeba zlato. Splývání neutronových hvězd má nejspíš pro chemický vývoj vesmír velikou roli – druhým možným zdrojem prvků vzniklých r-procesy jsou výbuchy supernov, u kterých ale není jisté, jestli je proud neutronů dostatečně veliký pro jejich efektivní tvorbu.

Proto je jasné, že když se astronomové doslechli o (pravděpodobné a v této fázi ještě plně neověřené) detekci gravitačního signálu ze splývání neutronových hvězd, navíc podpořené gama zábleskem ze stejné oblasti na obloze, měli enormní zájem na detailním pozorování tohoto objektu. Dost brzy ho na obloze našli, což bylo umožněno tím, že výpočet polohy byl poměrně přesný (naštěstí v druhé půlce srpna už měřily tři detektory LIGO/Virgo, ne jenom dva, jinak by oblast na obloze byla příliš velká a pravděpodobnost nalezení objektu příliš malá). Nový objekt ležel v galaxii NGC 4993, eliptické či čočkové galaxii bez aktivní tvorby hvězd, což perfektně sedí k našim teoriím o původu gravitačního signálu.

Poté, co na nový objekt v galaxii NGC 4993 zaměřily pozornost zmíněné desítky významných světových dalekohledů a dalších přístrojů, jsme zjistili, že objekt velmi rychle slábne a že také výrazně mění barvu (brzy po vzniku byl modrý, ale postupně červenal, až zcela pohasl v infračervené oblasti spektra). To souvisí s rychlým rozpínáním hmoty vyvržené při splynutí neutronových hvězd a také s reakcemi uvnitř této hmoty. Celkem byla do prostoru vyvržena hmota o hmotnosti asi 0,04 Slunce (jde o hmotnost všech planet naší sluneční soustavy mimo Jupiteru, což dělá asi jedno až dvě procenta celkové hmotnosti splývajících hvězd) s počáteční rychlostí rovnou přibližně jedné pětině rychlosti světla.

Neutronová hvězda je hmotnější než Slunce, ale není větší než město Mnichov. Jedna čajová lžička hmoty neutronové hvězdy váží stejně jako celá lidská populace.Snímek ESO / ESRI World Imagery, L. Calçada

A co dál?

Měření gravitačních vln – tedy přesněji úspěšné detekce gravitačních vln – nemají dlouhou historii. Poprvé jsme úspěšné zachytili signál teprve před dvěma lety (a letos za něj byla udělena Nobelova cena). Detektory LIGO/Virgo měří v omezeném intervalu frekvencí (obdobně jako dalekohledy také neměří celé elektromagnetické spektrum), který je nastaven tak, že dokáže pozorovat splývání objektů o stelárních hmotnostech (černé díry, neutronové hvězdy) a také nesymetrické supernovy, tedy nesymetrický gravitační kolaps velmi hmotných hvězd. Z „prvních“ gravitačních pozorování nás tedy ještě čeká splynutí neutronové hvězdy a černé díry (to by mělo být, stejně jako v případě neutronových hvězd, doprovázeno elektromagnetickým signálem), a dále gravitační signál z nesymetrických supernov. Potom nejspíš mediální ohlas detekcí poklesne na běžnou vědeckou úroveň, ale pro vědce to začne být možná ještě zajímavější.

Dá se předpokládat – a rozhodně v to doufáme – že další detekce přístroji LIGO/Virgo budou následovat (a po plánovaném vylepšení detektorů jich bude ještě víc). Odhady frekvence detekovatelných gravitačních signálů jsou velmi nejisté, ale jen velmi zlomyslným řízením osudu by se mohlo stát, že bychom na další signály čekali hodně dlouho, když se nám teď podařilo pět detekcí během dvou let. Statistika hmotností splývajících těles je velmi zajímavá pro teorie vzniku hvězd a pro výpočty vývoje těsných hmotných dvojhvězd. Pozorování elektromagnetických protějšků gravitačních zdrojů (optických a infračervených, ale také gama a rentgenových) nám dá informace o probíhajících reakcích a o množství hmoty, které je při splývání neutronových hvězd a neutronových hvězd a černých děr vyvrženo do okolí. To nám umožní lépe počítat chemický vývoj galaxií a vesmíru. Možná i zjistíme, co vlastně vznikne ze splynutých neutronových hvězd. Větší neutronová hvězda? Černá díra? Nebo něco jiného?

Teleskop ESO VLT (Very Large Telescope) byl jedním z důležitých pomocníků prezentovaného výzkumu. Sledoval elektromagnetické záření, vycházející z místa, odkud k nám dorazily gravitační vlny.Snímek ESO/H.H. Heyer

Měření gravitačních signálů a galaxií, ze kterých pocházejí, dokonce pomůže astronomům v poměrně nečekané oblasti, a to při určování vzdáleností. V astronomii jde o komplikovaný úkol. Obvykle si pomáháme pomocnými metodami, jako jsou například různé vztahy mezi měřitelnými veličinami (svítivostí, rychlostí rotace, atd.), které platí pro typické galaxie, případně použijeme vztah mezi vzdáleností a rychlostí vzdalování. Z měření gravitačních vln dostáváme vzdálenost určenou úplně jiným způsobem a nezávisle. Při dostatečně velkém množství detekcí můžeme naše známé metody testovat, můžeme také zpřesnit hodnotu kosmologických konstant, jako je právě rychlost rozpínání vesmíru.

Méně zajímavé pro astrofyziky, avšak o to zajímavější pro teoretiky, jsou pozorování spojená s testováním obecné teorie relativity. Jedním z nich je disperze gravitačních vln. Disperze vln znamená, že rychlost šíření závisí na frekvenci (energii) vlny. Tedy, že vlny pocházející z jednoho zdroje a vzniklé ve stejný okamžik dorazí do detektoru v závislosti na své frekvenci v různou dobu. Z obecné teorie relativity vyplývá, že gravitační vlny se šíří rychlostí světla a disperze u nich neexistuje. Některé alternativní teorie gravitace (třeba ty, které obsahují hmotné gravitony) předpovídají nenulovou disperzi. Pokud by tento předpoklad platil, znamenalo by to, že u vzdálenějších zdrojů gravitačních vln by měl být vliv disperze na naměřená data větší, než u zdrojů blízkých. Prozatím, v těch pár měřeních, která máme, žádnou disperzi nepozorujeme a výsledky souhlasí s obecnou teorií relativity. Čím více měření ale budeme mít (a také čím vzdálenější), tím přesněji budeme naše teorie testovat (ať už je chceme potvrzovat či vyvracet).

Takže doufejme, že detekce gravitačních signálů se stane rutinní záležitostí, která příjemně a užitečně obohatí v současnosti používané astrofyzikální metody.

Čtěte také: Oznámili otřes vesmíru. Co je to ale tahle neutronová hvězda? (anglicky)