Vědci zjistili, jak by mrtvé hvězdy mohly překonat jeden z nejslavnějších fyzikálních limitů

Bílí trpaslíci jsou malé, neuvěřitelně husté objekty, které zůstávají po vyčerpání jaderného paliva hvězdami podobnými našemu Slunci a jejich odlupování vnějších vrstev. Tato hvězdná jádra, zhruba o velikosti Země, mohou obsahovat hmotnost srovnatelnou s hmotností Slunce. Nové simulace naznačují, že silná vnitřní magnetická pole by mohla některým bílým trpaslíkům umožnit růst daleko za dlouhodobě stanovený limit hvězdné hmotnosti.

Nový výzkum naznačuje, že někteří bílí trpaslíci by mohli být mnohem těžší, než předpovídá základní limit v astrofyzice. Počítačové simulace ukazují, že silná vnitřní magnetická pole mohou těmto objektům umožnit dosáhnout přibližně 2,4násobku hmotnosti Slunce, což je daleko za konvenčním limitem zhruba 1,4 hmotnosti Slunce.

Zjištění publikovaná v časopise The Astrophysical Journal Letters nabízejí možné vysvětlení neobvykle jasných hvězdných explozí a mohla by mít důsledky pro to, jak astronomové měří rozpínání vesmíru. Také demonstrují potenciální evoluční cestu, kterou by se tyto mimořádně hmotné hvězdy mohly formovat.

Jak by magnetická pole mohla překonat limit hvězdné hmotnosti
Bílí trpaslíci vznikají, když hvězdy vyčerpají své jaderné palivo a ztratí své vnější vrstvy, přičemž zanechávají kompaktní jádra, obvykle o velikosti Země. Navzdory svým malým rozměrům mohou tyto pozůstatky obsahovat podstatnou část hmotnosti Slunce. U bílých trpaslíků bez silných magnetických polí nebo rychlé rotace je maximální stabilní hmotnost přibližně 1,4 hmotnosti Slunce, což je prahová hodnota známá jako Chandrasekharův limit.

Výzkumníci z katedry fyziky Indického institutu věd (IISc) a jejich spolupracovníci zjistili, že silná magnetická pole by mohla toto omezení změnit. Jak bílý trpaslík pohlcuje materiál z doprovodné hvězdy, jeho rostoucí hmotnost způsobuje, že se stává hustějším a smršťuje se. Tato komprese posiluje jeho vnitřní magnetické pole a vytváří tak dodatečný tlak, který pomáhá působit proti gravitaci a umožňuje hvězdě unést větší hmotu, než předpovídají konvenční modely.

Simulace rovněž naznačují, že magnetická pole mohou měnit vztah mezi hmotností a poloměrem bílého trpaslíka. Tento jev by mohl pomoci vysvětlit pozorování určitých bílých trpaslíků s nízkou hmotností, kteří se jeví větší, než se očekávalo.

Simulace vývoje mimořádně hmotného bílého trpaslíka
Aby vědci zjistili, zda takové objekty mohou skutečně vzniknout v průběhu hvězdného vývoje, upravili počítačový program STARS, vyvinutý na University of Cambridge. Do modelu zahrnuli vlivy magnetických polí a chladnutí bílých trpaslíků, což jim umožnilo sledovat hvězdu od fáze hlavní posloupnosti – kdy je její jádro poháněno fúzí vodíku – až po její proměnu v bílého trpaslíka. Následně modelovali, jak se tento hvězdný pozůstatek vyvíjí při hromadění hmoty z doprovodné hvězdy.

V jedné ze simulací vznikl z hvězdy o počáteční hmotnosti osminásobku hmotnosti Slunce uhlíko-kyslíkový bílý trpaslík o hmotnosti přibližně 1,02 hmotnosti Slunce. Když tento pozůstatek začal přijímat hmotu rychlostí 10⁻⁹ hmotnosti Slunce za rok, jeho magnetické pole zesílilo natolik, že umožnilo existenci objektu s modelovanou hmotnostní mezí přibližně 2,4 hmotnosti Slunce. Za srovnatelných podmínek, avšak bez vlivu magnetických polí, zůstává tato mez na hodnotě blízké 1,4 hmotnosti Slunce.

„Důležitou otázkou nebylo jen to, zda může existovat bílý trpaslík překračující Chandrasekharovu mez, ale zda se do takového stavu může hvězda skutečně vyvinout,“ říká Zenia Zuraiqová, hlavní autorka studie a doktorandka na katedře fyziky. „Naše simulace nám umožnily sledovat tuto vývojovou cestu od hvězdy hlavní posloupnosti až po bílého trpaslíka a ukázaly, že za určitých podmínek je takový vývoj možný.“

Dlouholetá teorie získává podporu díky simulacím
Možnost existence bílých trpaslíků, kteří překračují Chandrasekharovu mez, je teoreticky zkoumána již celá desetiletí. Astronomové navíc pozorovali neobvykle zářivé supernovy typu Ia, což naznačuje, že některé z nich mohou vznikat z bílých trpaslíků, kteří jsou mnohem hmotnější, než se očekávalo. Dřívější interpretace naznačovaly, že hmotnosti hvězdných předchůdců – včetně možných horních limitů – by mohly dosahovat až 2,8násobku hmotnosti Slunce.

Nová studie navazuje na výzkum, který začal již před více než deseti lety. „Celá myšlenka vznikla v roce 2011, kdy za mnou přišel student v rámci letní stáže a já mu – tak trochu jen tak mimochodem – zadal úkol: zjistit, zda může magnetické pole způsobit překročení Chandrasekharovy meze,“ vysvětluje Banibrata Mukhopadhyay, profesor na katedře fyziky a korespondenční autor studie, která byla publikována v časopise The Astrophysical Journal Letters.

Na rozdíl od výpočtů, které zkoumají, zda by neobvykle hmotný bílý trpaslík mohl zůstat stabilní, nové simulace sledují proces, kterým by se takový pozůstatek mohl vyvinout. Výsledky podporují teoretickou možnost magneticky udržovaných bílých trpaslíků, ačkoliv nestanovují, jak často se tyto objekty v přírodě vyskytují.

Možné důsledky pro měření rozpínajícího se vesmíru
Supernovy typu Ia mohou vznikat, když bílí trpaslíci na bázi uhlíku a kyslíku procházejí nekontrolovaným termonukleárním hořením. Jak se bílý trpaslík blíží Chandrasekharově limitu, podmínky v jeho nitru se mohou stát natolik extrémními, že by zažehly uhlík a potenciálně spustily katastrofickou explozi.

Astronomové používají supernovy typu Ia jako standardizované svíčky k odhadu vzdáleností ve vesmíru. Ačkoliv se jejich vnitřní jasnost mění, vztahy mezi jejich svítivostí a tím, jak se jejich světlo mění v čase, umožňují vědcům kalibrovat tyto exploze. Taková měření hrají klíčovou roli v pochopení kosmické expanze.

Pokud některé supernovy typu Ia pocházejí z neobvykle hmotných, silně magnetizovaných bílých trpaslíků, rozdíly v jejich předchůdcích by mohly ovlivnit vlastnosti a jasnost jejich explozí. Pochopení těchto efektů může astronomům pomoci interpretovat výjimečně svítivé supernovy a zlepšit fyzikální modely, které jsou základem měření kosmických vzdáleností.

Zdroj: https://scitechdaily.com/scientists-discover-how-dead-stars-could-break-one-of-physics-most-famous-limits/

autor: František Martinek