Zrod neutronové hvězdy

Představte si 300 milionů tun materiálu napěchovaných do kostky cukru. Pak z takových kostek v duchu poskládejte kouli, která je v průměru velká asi jako Praha. Tak nějak vypadá neutronová hvězda. Jde o jedno ze závěrečných stadií života hvězd, konkrétně těch, jejichž hmotnost je více než desetkrát větší než hmotnost Slunce. Taková hvězda vybuchne jako supernova a zhroutí se do koule uvedených rozměrů. Výsledného zhuštění hmoty je dosaženo tak, že se elektrony vmáčknou do atomových jader k protonům a tím je změní na neutrony.

V hlavní roli neutrina
Vědci zastávají názor, že propojujícím článkem mezi gravitačním zhroucením na jedné straně a obřím výbuchem na druhé jsou elementární částice zvané neutrina. Ta vznikají pří přeměně protonu a elektronu v neutron, tedy v jádru kolabující hvězdy. Neutrina mají malou hmotnost a nereagují na elektrické síly, díky tomu mohou být vyzářena přes vnější vrstvy hvězdy pryč. Proud neutrin, která vznikla ve vysokých teplotách, ohřívá vnější obálky hvězdy a zvyšuje jejich energii. Tlaková vlna neutrin následně způsobí roztrhání a výbuch hvězdy.

Za neprůhlednou oponou
Světlo vybuchující supernovy může přesvítit celou galaxii. V tomto okamžiku vznikají všechny chemické prvky těžší než železo a spolu s vnějšími obálkami hvězdy jsou rozmetány do vesmírného prostoru. Pohled na to, co se děje uvnitř supernovy, však není možný, brání nám v tom neprůhledná mračna plynu. Proto se vědecké zkoumání musí obrátit k počítačovým simulacím.

Do výpočtů simulace byly zapojeny nejvýkonnější evropské počítače|foto: Leibniz Rechenzentrum

Poprvé 3D
Fyzikální procesy, které probíhají v supernovách, ani rovnice, které je popisují, nejsou jednoduché. Proto se dříve musela používat různá hrubá zjednodušení, například v oblasti rotačních symetrií. Nyní poprvé se podařilo vědcům získat k dispozici počítače s dostatečnou výpočetní kapacitou. Do projektu se zapojilo 16 tisíc procesorů, které dohromady strávily nad výpočty 150 milionů hodin. Jediný běh simulace zabral 4 a půl měsíce počítání.

Rozkývaná atmosféra
Počítačový model nabídl vědcům očekávaný pohled podobný bublání a varu. Vedle toho se ale objevily také další jevy z dynamiky tekutin. Látka jako by se chaoticky přelévala z místa na místo. Prohlédněte si simulaci ve videu. Tento jev se objevil už dříve na jednodušších simulacích a dostal název Nestabilita narůstajícího stojatého vlnění. Znamená to, že původní kulový stav se rozruší a zpočátku malé asymetrie, se rozrostou do velkých rozměrů. Podobný jev pozorovali vědci také v proudění pozemských tekutin, konkrétně ve vodních vírech a válcích. Proto byli zpočátku někteří vědci skeptičtí, že by se podobný princip uplatňoval při výbuších supernov. Nicméně trojdimenzionální model roli tohoto jevu potvrdil. Vědci doufají, že v budoucnu najdou otisk těchto asymetrií také v gravitačních vlnách, které výbuch některé z budoucích supernov vyvolá.

Některé jevy, které ukázal numerický model, lze pozorovat také v hydrodynamice|foto: Thierry Foglizzo Laboratoire AIM Paris-Saclay

Zkoumání supernov pomocí počítačových simulací bude pokračovat i nadále. Vědci si od nich slibují další detaily a zpřesnění teorií. Jejich cílem je definitivně rozluštit, jak výbuch supernovy probíhá a jak vznikají neutronové hvězdy.