Srážka neutronových hvězd. Kredit: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet.

Když se srazí dvě neutronové hvězdy, tak se nepochybně otřese celý vesmír. Jaké to ale vlastně je a co se při tom děje s hmotou? Lidé se jen těžko někdy k takové srážce přichomýtnou a zastrčí do neutronových hvězd měřící sondy. Nějaké informace můžeme získat z pozorování takové srážky ve vesmíru, to se ale zatím povedlo jenom jednou jedinkrát, alespoň co víme. Jsou i jiné možnosti?

Vědci německé Technische Universität München (TUM) a centra pro výzkum těžkých iontů GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung v Darmstadtu, kteří spolupracují na experimentu HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer, HADES Collaboration), se rozhodli být kreativní. Když už nemohou být očitými svědky srážky neutronových hvězd, tak takovou srážku uspořádali tady na Zemi.

HADES Collaboration, logo.

Jde samozřejmě o simulovanou srážku, na konstrukci skutečných neutronových hvězd si ještě budeme muset nějaký čas počkat. Zároveň ale nejde o pouhé počítačové simulace, ale reálné srážky. Jen se nesrážejí neutronové hvězdy, nýbrž těžké ionty na urychlovači částic. Vtip je v tom, že podle fyziků by některé parametry takých srážek těžkých iontů měly odpovídat srážkám neutronových hvězd, například hustotě nebo teplotě hmoty. Další podobnost je v tom, že jak při srážce neutronových hvězd, tak i při srážce těžkých iontů urychlených na relativistické rychlosti, vznikají virtuální fotony.

Tým HADES Collaboration využil k takové simulaci srážky neutronových hvězd urychlovač částic SIS centra iontů GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Při výzkumu čelili dvěma zásadním problémům. Prvním z nich bylo, že virtuální fotony se při srážkách těžkých iontů objevují jen vzácně. V tomto případě bylo řešení jednoduché, i když poněkud časově náročné. Prostě udělali více srážek. Jak říká Jürgen Friese z TUM, museli zaznamenat a analyzovat asi 3 miliardy srážek těžkých iontů, aby pak z dat vytáhli výsledných 20 tisíc měřitelných virtuálních fotonů.

Experiment HADES. Kredit: GSI

Druhý problém spočíval v tom, že virtuální fotony jsou ze své podstaty velmi slabé. Tým HADES si poradil tak, že vyrobili speciální gigantickou kameru o ploše 1,5 metru čtverečního. S její pomocí pak detekovali velmi slabé Čerenkovovo záření, které vzniká v souvislosti s virtuálními fotony. Kameru obsluhuje umělá inteligence, díky čemuž může pořizovat snímky, z nichž lze analyzovat virtuální fotony a hmotu ve srážkách těžkých iontů.

V takto získaných datech mohli badatelé týmu HADES zkoumat vlastnosti extrémně husté hmoty, která na kratičký okamžik zrodí ve srážkách těžkých iontů. Potvrdili přitom, že se tato hmota svými vlastnostmi podobá hmotě, která by podle našich předpokladů měla vznikat při srážkách neutronových hvězd.
Zároveň zjistili, že při srážce dvou neutronových hvězd, které by obě měly hmotnost jako 1,35 Slunce, by hmota měla teplotu asi 800 miliard °C. Za takových podmínek by došlo k fúzi těžkých atomových jader. Pro fyziky bylo cenné i pozorování samotné hmoty vzniklé ve srážkách těžkých iontů. Šlo o kvarkovou hmotu (QCD matter), jaká vyplňovala vesmír kratičký okamžik po Velkém třesku. Podobné stavy hmoty, jen o nižších teplotách, dnes zřejmě existují v nitru neutronových hvězd.

Video:  Particle accelerator - One for all elements


Literatura
Science Alert 26. 8. 2019, Nature Physics online 29. 7. 2019.https://www.youtube.com/watch?v=DtOsEPwtSkQ