Jak vzniká zlato. Vědci zaznamenali srážku dvou neutronových hvězd

Gravitační vlny, chvění samého prostoročasu, zachytili astrofyzici už několikrát, poprvé v roce 2015. Letos byl pak objev oceněn Nobelovou cenou za fyziku. Teď se ale začíná psát další fascinující kapitola. Rozvlnit prostoročas tak, aby to pozemské detektory dokázaly zaznamenat, může totiž jen nějaká kataklyzmatická kosmická událost obřích rozměrů, která po sobě nechá víc stop. Ty se nám však dosud nedařilo najít: neviděli jsme v kosmu žádný optický jev, žádný záblesk v jakémkoliv oboru světla, který by prozradil více o tom, co se vlastně stalo.

Teď už to ale neplatí. Díky spolupráci vědců z celého světa se podařilo zaznamenat nejen gravitační vlny, ale i světlo pocházející ze srážky, která je vyvolala: srážky dvou neutronových hvězd. Došlo k ní 130 milionů světelných let od Země, v souhvězdí Hydry. Objev slibuje lepší pochopení zákonitostí jaderné fyziky, gravitace, ale i vzniku prvků ve vesmíru včetně původu zlata tady na Zemi.

Srážka dvou majáků

Položte stovky tisíc Zeměkoulí vedle sebe a stlačte je všechny do hmoty o poloměru Brna. Zhruba tak si můžete představit extrémní vlastnosti astrofyzikálních objektů známých jako neutronové hvězdy. Jedná se o obří slepence neutronů, stavebních bloků atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají explozí starých těžkých hvězd, a kromě černých děr jsou to objekty s nejsilnější gravitací v celém vesmíru.

O možnosti existence neutronových hvězd se spekulovalo od třicátých let minulého století, ale potvrzení přišlo až s rádiovými pozorováními naší oblohy v šedesátých letech. Neutronové hvězdy totiž mohou rotovat a strhávat okolo sebe elektromagnetické pole. Výsledkem je rádiové záření, které neutronová hvězda vrhá kolem dokola jako světlo z majáku a my ji – podobně jako maják v dáli – vidíme na obloze jako blikající objekt, takzvaný radiový pulzar. Tyto objekty, poprvé pozorované britskými astronomy Anthony Hewishem a Jocelyn Bell, mohou vydat až stovky bliknutí za sekundu a jsou jedny z nejpřesnějších „kosmických hodinek“, které lze používat k precizním testům teorie relativity.

To ale není to nejzajímavější na neutronových hvězdách: nejzajímavější jsou jejich „vnitřnosti“. Podmínky uvnitř neutronové hvězdy jsou tak neobvyklé, že si v daném stavu hmoty nejsme jisti platností nám známých přírodních zákonů – a i kdybychom se o tyto zákony plně opřeli, stejně nedokážeme důsledky našich teorií spolehlivě dopočítat. Na nejlepších superpočítačích zatím běží simulace, které nám umožňují pochopit podmínky nízko pod povrchem neutronové hvězdy, kde hustoty jaderné hmoty nepřekračují určitou mez, ale zatím neumožňují ponořit se beze zbytku do jejích tajemných hlubin. Čekají na nás v nitru hvězdy nějaké zcela nové, nepochopené stavy hmoty?

I proto stoupalo v pondělí dopoledne napětí. Řada vědeckých institucí napříč světem ohlásila současně probíhající tiskové konference. V seznamu těchto institucí jsou detektory gravitačních vln, americké LIGO a evropské Virgo, ale i astronomické observatoře, které sledují „jen“ světlo v optickém nebo infračerveném oboru. Na Twitteru se totiž objevily již před několika měsíci zvěsti, že gravitační observatoře naměřily gravitační vlny ze srážky neutronových hvězd a v souvislosti s tím i světelný záblesk. Otázkou tedy bylo, zda se dozvíme se o neutronových hvězdách něco nového.

Konec dohadů

Ve spojených státech je deset hodin ráno, u nás čtyři hodiny odpoledne, a k pultíku přicházejí vědci a mluvčí kolaborace LIGO a s velkým nadšením říkají „Zase se nám to povedlo!“ Konečně totiž naměřili to, kvůli čemu detektory gravitačních vzruchů stavěli, divoký valčík dvou neutronových hvězd, které gravitačním zářením ztrácejí energii, neustále se přibližují a zrychlují, až nakonec dojde k jejich bouřlivému splynutí.

K tanci a splynutí těchto dvou hvězd došlo před 130 milióny let -  a 17. srpna tohoto roku k nám doputovala zvěst o vzniku nových prvků. Pomocí kombinace informací ze sítě tří gravitačních detektorů, dvou pod LIGO a jednoho pod Virgo, se podařilo zhruba určit směr, odkud prostoročasové „dunění“ pochází: z určitého kousku oblohy v souhvězdí Hydry. Na sedmdesát dalekohledů ze všech kontinentů se pak zaměřilo příslušným směrem a nalezlo v tom místě ohromující výbuch napříč elektromagnetickým spektrem. Nejdříve vyšlehlo nejenergetičtější gamma záření, a pak bylo možno po následující dny až týdny pozorovat kaskády fotonů od rentgenového záření přes optické až k rádiovému.

Pozorování zároveň pomohlo ukončit dohady, odkud pocházejí prvky těžší než železo. Jádra těžší, než mají železo nebo nikl, nejsou totiž energeticky výhodná a neexistuje žádný důvod, proč by měla vznikat v běžných přírodních procesech. Vědci proto uvažovali nad tím, jestli zlato, platina a další prvky nepocházejí spíše z výbuchů obyčejných hvězd nebo právě ze srážek neutronových hvězd. Podrobný rozbor spektra záření, které k nám přišlo z právě ohlášené srážky, přesvědčivě dokazuje, že během ní bezpochyby vznikly právě prvky jako zlato nebo platina. A je dost pravděpodobné, že z podobné srážky pochází i zlato tady na Zemi.

Tím samozřejmě příběh nekončí, už teď se objevují menší nesrovnalosti – například záblesk gamma záření je slabší, než by mnoho vědců očekávalo, a naskýtá se otázka proč. Naměřený signál gravitační vlny je zároveň dlouhý nějakých sto sekund, trvá mnohonásobně déle než všechna předchozí měření. Poskytuje tudíž mnohem rozsáhlejší potvrzení předpovědí teorie relativity. Bezpochyby se také dočkáme detailního modelování splynutí dvou hvězd – a možná se dočkáme i nových závěrů o vnitřku neutronových hvězd. Jak říká Laura Cadonati, profesorka astrofyziky a jedna z mluvčích kolaborace LIGO: „Tato detekce gravitačních vln otevřela dveře zcela novému výzkumu v astrofyzice. Očekávám, že se stane jednou z nejstudovanějších astrofyzikálních událostí v historii.“

Autor je teoretický fyzik