Tým vědců z Max Planckova institutu pro gravitační fyziku v Německu a jejich kolegové v Japonsku dosáhli průlomu: podařilo se jim nasimulovat nejdetailnější průběh srážky dvou neutronových hvězd od začátku až po zhroucení do černé díry. Simulace zachycuje 1,5 sekundy reálného času — což je v tomto oboru nevídané.

Aby toho dosáhli, využili japonský superpočítač Fugaku, jeden z nejvýkonnějších na světě. Během 130 milionů hodin výpočetního času vědci modelovali gravitační vlny, emise neutrin, extrémně silná magnetická pole a dynamiku hmoty ve velmi hustém a chaotickém prostředí. Výsledek je první ucelený obraz toho, co se při takové srážce ve skutečnosti děje.

Zdroj: Shutterstock

„Předpovědět signály, které taková událost vyšle do vesmíru, je nesmírně složité. Ale právě to jsme teď dokázali,“ vysvětluje Kota Hayashi z oddělení relativistické astrofyziky Max Planckova institutu.

Co se děje, když se srazí neutronové hvězdy

Neutronové hvězdy jsou zbytky hvězd, které prošly explozí supernovy a zhroutily se do extrémně hustého objektu — do té míry, že čajová lžička jejich hmoty by na Zemi vážila miliardy tun. Když se dvě takové hvězdy navzájem přitahují a nakonec srazí, uvolní se obrovské množství energie a vznikají jevy, které můžeme detekovat i z miliard světelných let daleko.

Mezi tyto signály patří gravitační vlny, záblesky gama záření, proudy neutrin i tzv. kilonova — zářící oblak hmoty plný těžkých prvků. Právě simulace srážky neutronových hvězd nyní pomáhá pochopit, jak přesně tyto signály vznikají.

1,5 sekundy kosmického dramatu

Simulace začala dvěma neutronovými hvězdami o hmotnosti 1,25 a 1,65násobku hmotnosti Slunce, které obíhaly kolem sebe. Postupně ztrácely orbitální energii ve formě gravitačních vln, až se srazily a během zlomku sekundy zkolabovaly do černé díry.

V té chvíli se kolem černé díry vytvořil disk z rozžhavené hmoty. Magnetická pole se začala násobit díky interakci s rotujícím horizontem černé díry. Výsledkem byl mohutný výron energie podél rotační osy — událost, která by mohla na Zemi vypadat jako záblesk gama záření.

„Myslíme si, že právě tento výron energie je příčinou gama záblesků, které astronomové zachycují z těchto událostí,“ říká Masaru Shibata, ředitel oddělení relativistické astrofyziky.

Neutrina, gravitační vlny i zlato

Kromě gama záblesků simulace také ukázala, jaké množství neutrin a těžkých prvků je při srážce uvolněno do vesmíru. Právě neutronové hvězdy při svých srážkách pravděpodobně vytvářejí prvky těžší než železo — například zlato, platinu nebo uran. Tuto teorii poprvé potvrdilo pozorování z roku 2017, kdy vědci detekovali srážku neutronových hvězd a následně v její záři objevili právě zlato.

Simulace poskytuje podrobný obraz o tom, kolik takové hmoty je při srážce vyvrženo do mezihvězdného prostoru — a tím pomáhá vysvětlit, jak se tyto vzácné prvky ve vesmíru tvoří.

K čemu je to dobré?

Výsledky této simulace srážky neutronových hvězd mají obrovský význam pro tzv. multi-messengerovou astronomii — obor, který kombinuje data z gravitačních vln, elektromagnetického záření, neutrin a dalších signálů. Pokud víme, co přesně při srážce neutronových hvězd očekávat, můžeme rychleji nasměrovat teleskopy a detektory a zachytit celý průběh události.

Do budoucna tak simulace pomůže včas předpovědět, kdy a jaké signály se při podobné události objeví. Vědci tak budou lépe připraveni na to, až příště zaznamenají srážku dvou neutronových hvězd — a díky tomu získají o vesmíru nové, dosud netušené informace.