Vesmír jako síť polí, částic a vln

Na první pohled se může prostor mezi planetami, hvězdami a galaxiemi jevit jako dokonale prázdný. Ve skutečnosti se jedná o prostředí s velmi nízkou hustotou hmoty, nikoli o absolutní nicotu. Meziplanetární a mezihvězdný prostor obsahuje řídký plyn, elektrony, protony, atomová jádra, prachová zrna, magnetická pole, elektromagnetické záření, kosmické částice a neutrina.

Většina běžné viditelné hmoty ve hvězdách se nachází ve stavu plazmatu. Plazma je ionizovaný plyn, ve kterém jsou elektrony alespoň částečně odděleny od atomových jader. Díky přítomnosti volných elektrických nábojů reaguje plazma velmi citlivě na elektrická a magnetická pole. Současně svým pohybem tato pole vytváří a mění.

Chování kosmického plazmatu proto nelze popsat pouze jako proudění obyčejného plynu. Je nutné spojit mechaniku tekutin s elektromagnetismem. Tímto spojením se zabývá magnetohydrodynamika, která vysvětluje například sluneční dynamo, magnetické smyčky, sluneční vítr, výtrysky z galaxií a část chování akrečních disků kolem černých děr.

Základ moderního elektromagnetismu vytvořili Michael Faraday a James Clerk Maxwell. Faraday experimentálně prokázal elektromagnetickou indukci a prosadil představu fyzikálního pole. Maxwell následně ukázal, že elektřina, magnetismus a světlo jsou různými projevy jednoho elektromagnetického systému. Základní souvislosti mezi frekvencí, energií a vibrací podrobně rozebírá článek Jak vibrace a frekvence ovlivňují svět kolem nás.

Elektromagnetické spektrum: Mnohem více než viditelné světlo

Viditelné světlo je pouze nepatrnou částí elektromagnetického spektra. Lidské oko dokáže zachytit přibližně vlnové délky od 380 do 700 nanometrů. Vesmír však vysílá elektromagnetické záření v mnohem širším rozsahu, od rádiových vln s velmi dlouhou vlnovou délkou až po extrémně energetické gama záření.

Elektromagnetická vlna se skládá z navzájem kolmého elektrického a magnetického pole, která se šíří prostorem. Ve vakuu se všechny druhy elektromagnetického záření pohybují stejnou rychlostí. Liší se frekvencí, vlnovou délkou a energií fotonů. Čím je frekvence vyšší, tím je vlnová délka kratší a energie jednotlivého fotonu větší.

Slunce jako obrovský kosmický generátor

Slunce bývá populárně označováno jako obrovský generátor energie. Toto přirovnání je užitečné, pokud jej správně vysvětlíme. Slunce není elektrický generátor s kovovým rotorem, cívkou a mechanickým pohonem. Je to hvězda, jejíž zářivou energii vytváří jaderná fúze a jejíž magnetické pole vzniká pohybem elektricky vodivého plazmatu.

V nitru Slunce panuje extrémní teplota a tlak. Vodíková jádra se prostřednictvím proton-protonového řetězce postupně slučují na helium. Výsledná částice má nepatrně menší hmotnost než původní částice. Tento hmotnostní rozdíl se přemění na energii podle Einsteinova vztahu E = mc².

Vzniklá energie se po dlouhou dobu přesouvá z jádra přes radiační a konvektivní zónu k povrchu. Ze sluneční fotosféry pak odchází do vesmíru jako elektromagnetické záření. Přibližně po osmi minutách dorazí část tohoto záření k Zemi.

Jak vzniká magnetické pole Slunce

Slunce je obrovská koule plazmatu, nikoli pevné těleso. Jednotlivé části Slunce se proto neotáčejí stejnou rychlostí. Oblasti kolem rovníku dokončí rotaci rychleji než oblasti ve vyšších heliografických šířkách. Tento jev se nazývá diferenciální rotace.

Elektricky vodivé plazma se současně pohybuje v konvektivní zóně. Horký materiál stoupá, ochlazuje se a následně klesá. Kombinace rotace, konvekce a elektrické vodivosti umožňuje vznik dynamo efektu, který přeměňuje pohybovou energii plazmatu na energii magnetického pole.

Magnetické pole Slunce má složitou strukturu. Obsahuje globální složku připomínající přibližně dipól a mnoho lokálních magnetických smyček. Během slunečního cyklu se pole stáčí, zesiluje, přeskupuje a nakonec obrací polaritu.

Jedenáctiletý sluneční cyklus a dvaadvacetiletý magnetický cyklus

Počet slunečních skvrn, erupcí a dalších projevů aktivity se v průměru mění v cyklu trvajícím přibližně jedenáct let. Na začátku cyklu se Slunce nachází blízko slunečního minima, kdy je počet skvrn a aktivních oblastí nízký. Aktivita následně roste až ke slunečnímu maximu a poté znovu klesá.

Při každém maximu se severní a jižní magnetický pól Slunce obrátí. Po jednom jedenáctiletém cyklu má proto magnetické pole opačnou polaritu. K návratu do původního uspořádání je zapotřebí přibližně dvou cyklů, tedy asi dvaadvaceti let. Tento delší interval se označuje jako Haleův magnetický cyklus.

Jednotlivé cykly nejsou totožné. Liší se maximálním počtem skvrn, délkou, časováním i počtem silných erupcí. Jedenáct let je proto průměrná hodnota, nikoli přesný periodický metronom.

Sluneční skvrny: Temná místa silného magnetismu

Sluneční skvrny jsou tmavší oblasti fotosféry, které mají nižší teplotu než okolní povrch. Nejsou však chladné v běžném smyslu; stále dosahují teplot několika tisíc stupňů. Vypadají tmavě proto, že okolní fotosféra září ještě intenzivněji.

Silné magnetické pole ve skvrnách částečně omezuje proudění horkého plazmatu z nitra směrem k povrchu. Tím snižuje místní přísun tepla. Skvrny často vznikají ve skupinách s opačnou magnetickou polaritou, propojených magnetickými smyčkami.

Největší a magneticky nejsložitější aktivní oblasti mohou být zdrojem silných erupcí a koronálních výronů hmoty. Samotná přítomnost velké skvrny však automaticky neznamená, že musí dojít k erupci namířené k Zemi.

Sluneční erupce: Výbuch elektromagnetického záření

Sluneční erupce je rychlé uvolnění energie v magneticky aktivní oblasti Slunce. Dochází k němu při přeskupení magnetických siločar, které označujeme jako magnetickou rekonexi. Část energie magnetického pole se přemění na teplo, elektromagnetické záření a pohyb urychlených částic.

Erupce mohou během několika minut až hodin výrazně zesílit rentgenové a extrémní ultrafialové záření Slunce. Toto záření se pohybuje rychlostí světla a k Zemi dorazí přibližně za osm minut. Protože rentgenové a ultrafialové fotony zvyšují ionizaci atmosféry, mohou na osvětlené straně Země způsobit výpadky vysokofrekvenční rádiové komunikace.

NOAA a další instituce klasifikují erupce podle maximálního toku rentgenového záření měřeného družicemi GOES. Třídy jsou označeny A, B, C, M a X. Každá další hlavní třída představuje desetkrát vyšší rentgenový tok než předchozí.

Erupce a koronální výron hmoty nejsou totéž. Erupce je především prudké uvolnění elektromagnetického záření a energie v atmosféře Slunce. Koronální výron hmoty je skutečný oblak plazmatu a magnetického pole pohybující se meziplanetárním prostorem.

Koronální výrony hmoty: Magnetické mraky putující vesmírem

Koronální výron hmoty neboli CME je rozsáhlá erupce plazmatu a magnetického pole ze sluneční koróny. Může obsahovat obrovské množství materiálu a expandovat do prostoru rychlostí stovek až více než tisíce kilometrů za sekundu.

Pokud je výron namířen k Zemi, jeho cesta může trvat přibližně od necelého dne do několika dnů. Nejrychlejší zaznamenané výrony dorazily přibližně za osmnáct hodin, běžné události však bývají pomalejší.

O tom, zda CME způsobí silnou geomagnetickou bouři, nerozhoduje pouze rychlost a množství materiálu. Zásadní je také orientace magnetického pole uvnitř výronu. Pokud je jeho meziplanetární magnetické pole po delší dobu orientováno jižním směrem, může se účinně propojit s opačně orientovanou částí magnetického pole Země. Tím se prostřednictvím magnetické rekonexe přenese velké množství energie do magnetosféry.

Sluneční vítr a Parkerova spirála

Sluneční koróna je natolik horká, že část jejího plazmatu překonává gravitaci Slunce a nepřetržitě uniká do prostoru. Tento proud elektronů, protonů a menšího množství těžších iontů označujeme jako sluneční vítr.

Sluneční vítr se pohybuje rychlostí stovek kilometrů za sekundu. Pomalejší proud bývá spojen s oblastmi kolem koronálních streamerů, rychlejší proud často uniká z koronálních děr, kde jsou magnetické siločáry otevřené do meziplanetárního prostoru.

Protože se Slunce otáčí, magnetické pole unášené slunečním větrem nevytváří přímé radiální čáry. Stáčí se do spirálovité struktury známé jako Parkerova spirála. Tento tvar ovlivňuje pohyb částic a přenos energie v celé heliosféře.

Sluneční vítr není totéž co elektromagnetické záření. Fotony přicházejí od Slunce rychlostí světla asi za osm minut. Částice slunečního větru potřebují k cestě k Zemi několik dní.

Heliosféra: Magnetická bublina kolem Sluneční soustavy

Sluneční vítr a sluneční magnetické pole společně vytvářejí rozsáhlou oblast zvanou heliosféra. Tato magnetická bublina obklopuje všechny planety a odděluje prostředí ovládané Sluncem od místního mezihvězdného prostoru.

Sluneční vítr se postupně zpomaluje při kontaktu s mezihvězdným prostředím. V oblasti terminační rázové vlny přechází z nadzvukového proudění do pomalejšího režimu. Dále se nachází heliosheath a nakonec heliopauza, kde tlak slunečního větru přestává dominovat.

Sondy Voyager 1 a Voyager 2 překročily heliopauzu a poskytly první přímá měření prostředí za hlavní hranicí heliosféry. Heliosféra přitom není dokonalá koule a její přesný tvar se nadále zkoumá. Ovlivňuje ji pohyb Slunce Galaxií, mezihvězdné magnetické pole i proměnlivost slunečního větru.

Magnetosféra Země: Dynamický ochranný štít

Země je obklopena magnetickým polem vytvářeným především pohybem elektricky vodivého kapalného železa ve vnějším jádru planety. V prostoru, kde toto pole významně ovlivňuje pohyb nabitých částic, vzniká magnetosféra.

Magnetosféra není dokonale symetrická. Na straně obrácené ke Slunci ji sluneční vítr stlačuje. Na noční straně ji natahuje do dlouhého magnetického ohonu. Před magnetosférou vzniká rázová vlna podobná vlně před přídí lodě, která zpomaluje a odklání část slunečního větru.

Hranice mezi magnetosférou a slunečním větrem se nazývá magnetopauza. Její poloha se mění podle tlaku slunečního větru. Při silné události se může posunout blíže k Zemi a vystavit některé družice intenzivnějšímu kosmickému prostředí.

Magnetosféra nepůsobí jako dokonale uzavřená kovová klec. Část energie a částic se do ní dostává prostřednictvím magnetické rekonexe, zvláště pokud je meziplanetární magnetické pole orientováno vhodným směrem. Tato energie se může ukládat v magnetickém ohonu a následně uvolnit během magnetosférických subbouří.

Elektromagnetické rezonance mezi povrchem Země a ionosférou vysvětluje samostatný článek Schumannova rezonance: Co je skutečnost a co mýtus.

Van Allenovy pásy: Zachycené částice kolem Země

Magnetické pole Země může zachytit energeticky nabité částice a udržovat je v oblastech označovaných jako Van Allenovy radiační pásy. Tyto pásy byly objeveny roku 1958 pomocí dat z družice Explorer 1.

Vnitřní pás obsahuje převážně vysokoenergetické protony. Část těchto protonů vzniká jako důsledek interakcí kosmického záření s atmosférou. Vnější pás tvoří především elektrony a je výrazně dynamičtější. Jeho intenzita a rozměry se mohou během geomagnetických bouří rychle měnit.

Částice v pásech se pohybují spirálovitě kolem magnetických siločar, odrážejí se mezi severní a jižní magnetickou oblastí a současně pomalu driftují kolem planety. Jejich pohyb proto není jednoduchým kruhem, ale kombinací několika periodických pohybů.

Mise NASA Van Allen Probes prokázala, že pásy jsou mnohem proměnlivější, než se dříve předpokládalo. Během intenzivní sluneční aktivity může dočasně vzniknout i třetí radiační pás.

Geomagnetické bouře: Když Slunce rozkmitá magnetosféru

Geomagnetická bouře je rozsáhlé narušení magnetosféry způsobené účinným přenosem energie ze slunečního větru. Nejsilnější bouře bývají spojeny s rychlými koronálními výrony hmoty, ale mohou vzniknout také při dlouhodobém působení rychlého proudu slunečního větru z koronálních děr.

Během bouře se mění elektrické proudy v magnetosféře a ionosféře. Zesiluje se prstencový proud, polární proudové systémy a pohyb plazmatu. Tyto změny vytvářejí měřitelné odchylky magnetického pole na povrchu Země.

NOAA klasifikuje geomagnetické bouře stupnicí G1 až G5. Stupeň G1 označuje menší bouři, zatímco G5 představuje extrémní událost. Stupnice vyjadřuje možné dopady na rozvodné sítě, družice, navigaci, rádiovou komunikaci a polární záře.

Polární záře: Viditelná fyzika magnetického pole

Polární záře vzniká, když energetické elektrony a ionty proniknou podél magnetických siločar do horních vrstev atmosféry. Zde narážejí do atomů a molekul kyslíku a dusíku a předávají jim energii.

Po srážce se atmosférické částice dostanou do excitovaného stavu. Tento stav je nestabilní. Při návratu do nižší energetické hladiny částice vyzáří foton určité vlnové délky. Součet obrovského množství těchto fotonů vytváří světelné závoje, oblouky, paprsky a koróny polární záře.

Tvar záře je řízen magnetickým polem, elektrickými proudy a pohybem plazmatu. Zářící atmosféra tak do určité míry zviditelňuje procesy, které by jinak zůstaly neviditelné.

Proč má polární záře různé barvy

Barva závisí především na druhu atmosférické částice, její energetické hladině, výšce a energii dopadajících částic.

Kosmické počasí a moderní technologická civilizace

Kosmické počasí označuje proměnlivé podmínky na Slunci, ve slunečním větru, magnetosféře, ionosféře a termosféře, které mohou ovlivnit technologické systémy. Přestože lidé na povrchu Země jsou dobře chráněni atmosférou a magnetosférou, naše infrastruktura sahá vysoko do atmosféry i do kosmického prostoru.

Družice a elektronika

Energetické částice mohou v polovodičových součástkách vytvořit elektrický náboj, změnit uložená data nebo způsobit takzvanou single-event upset. Silnější událost může poškodit solární panely, senzory a řídicí elektroniku. Geomagnetické bouře také zahřívají horní atmosféru, která se rozpíná a zvyšuje odpor působící na družice na nízké oběžné dráze.

GPS a navigace

Signál navigační družice prochází ionosférou, kde jej ovlivňuje koncentrace volných elektronů. Geomagnetická bouře může ionosféru silně a nepravidelně změnit. Pokud model přijímače nedokáže změnu správně započítat, vzniká chyba v určení polohy. U běžného uživatele může jít o menší odchylku, u přesné geodézie, letectví nebo autonomních systémů může být dopad významnější.

Rádiová komunikace

Rentgenové a extrémní ultrafialové záření ze sluneční erupce může zvýšit ionizaci spodní ionosféry na denní straně Země. To může silně pohltit vysokofrekvenční rádiové vlny a způsobit rádiový výpadek. Polární komunikaci navíc komplikují energetické protony během slunečních radiačních bouří.

Elektrické rozvodné sítě

Rychlé změny geomagnetického pole indukují elektrická pole v zemském povrchu. V dlouhých vodičích, jako jsou přenosová vedení nebo potrubí, mohou vznikat geomagneticky indukované proudy. Ty mohou přetěžovat transformátory, zvyšovat jalový výkon a narušovat stabilitu elektrických sítí.

Letectví a astronautika

Posádky letadel na polárních trasách mohou být při silné radiační bouři vystaveny vyšší dávce ionizujícího záření. Polární trasy jsou rovněž citlivé na výpadky HF komunikace. Astronauti mimo hlavní ochranu atmosféry a magnetického pole čelí podstatně většímu radiačnímu riziku.

Kosmické záření: Částice z nejenergetičtějších procesů vesmíru

Pojem kosmické záření je historický a může být matoucí. Většinu kosmického záření netvoří elektromagnetické paprsky, ale vysokoenergetické částice. Podle CERN tvoří primární kosmické záření přibližně z 89 procent protony, z 10 procent jádra helia a zhruba z jednoho procenta těžší atomová jádra a další částice.

Částice se pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla a mohou nést energii, které běžné pozemské urychlovače jednotlivým částicím nedosahují. Magnetická pole v Galaxii jejich dráhy zakřivují, takže u mnoha částic není možné jednoduše zpětně určit původní směr zdroje.

Primární a sekundární kosmické záření

Primární kosmické částice přilétají přímo z kosmických zdrojů. Když narazí do atomových jader vysoko v atmosféře, vytvoří kaskádu sekundárních částic, která se označuje jako rozsáhlá atmosférická sprška.

Při srážkách vznikají piony, kaony, elektrony, fotony, neutrina a další částice. Nabité piony se často rozpadají na miony. Miony dokážou díky vysoké rychlosti a relativistickému prodloužení života pronikat hluboko atmosférou a dopadat až na zemský povrch.

Kosmické záření historicky sehrálo zásadní roli v částicové fyzice. Ještě před výstavbou velkých urychlovačů vedlo k objevu pozitronu, mionu, pionu, kaonu a dalších částic.

Kde kosmické záření vzniká

Část kosmického záření vzniká ve Slunci, zejména při erupcích a koronálních výronech. Tyto částice se označují jako sluneční energetické částice. Galaktické kosmické záření přichází z oblastí mimo Sluneční soustavu, ale většinou z naší Galaxie.

Za významné zdroje a urychlovače galaktického kosmického záření jsou považovány rázové vlny zbytků supernov, pulsarové větry, masivní hvězdné systémy a další extrémní prostředí. U nejenergetičtějších částic nejsou přesné zdroje definitivně určeny. Kandidáty jsou aktivní galaktická jádra, relativistické výtrysky a další kosmické urychlovače.

Kosmické záření a sluneční cyklus

Galaktické kosmické záření je ovlivňováno slunečním magnetickým polem a slunečním větrem. Během slunečního maxima je heliosféra magneticky aktivnější a účinněji rozptyluje část galaktických kosmických částic. Tok galaktického kosmického záření v okolí Země proto zpravidla klesá.

Během slunečního minima je globální magnetické prostředí Slunce klidnější a k Zemi může pronikat větší množství galaktických kosmických částic. Vztah je tedy částečně opačný, než by laik očekával: při vyšší sluneční aktivitě roste riziko náhlých slunečních protonových událostí, ale průměrný tok galaktického kosmického záření bývá nižší.

Jak kosmické záření ovlivňuje Zemi a člověka

Atmosféra Země pohlcuje velkou část primárního kosmického záření a proměňuje jej na sekundární částice. Magnetické pole odklání část elektricky nabitých částic, přičemž účinnost ochrany závisí na energii částice a zeměpisné či geomagnetické šířce.

Na povrchu Země představuje kosmické záření pouze jednu složku běžného přírodního radiačního pozadí. Dávka roste s nadmořskou výškou, protože nad člověkem zůstává menší vrstva atmosféry. Proto jsou posádky letadel vystaveny vyšší dávce než lidé na zemi.

Pro astronauty je situace podstatně náročnější. Mimo nízkou oběžnou dráhu chybí plná ochrana magnetosféry a atmosféry. Galaktické kosmické záření obsahuje také těžká jádra s vysokým nábojem a energií, označovaná jako HZE částice. Ta mohou vytvářet husté ionizační stopy a poškozovat DNA, buňky a nervovou tkáň.

Mezi zkoumaná rizika patří zvýšená pravděpodobnost rakoviny, poškození centrální nervové soustavy, kardiovaskulární změny, katarakta a akutní radiační účinky při velmi silné sluneční protonové události.

Stínění není jednoduché. Materiál může primární částici zpomalit, ale současně vytvořit spršku sekundárních neutronů a fragmentů. Pro dlouhodobé mise k Měsíci nebo Marsu se proto zkoumají kombinace vhodných materiálů, aktivní monitoring, předpovědi sluneční aktivity a chráněné části kosmické lodě.

Kosmické záření versus elektromagnetické záření

Gravitace podle obecné teorie relativity

Newtonova teorie popisuje gravitaci jako sílu působící mezi hmotnými tělesy. Pro většinu běžných situací je mimořádně přesná. Albert Einstein však ukázal, že gravitaci lze chápat hlouběji jako geometrii časoprostoru.

Podle obecné teorie relativity hmota a energie zakřivují časoprostor. Volně se pohybující tělesa následují nejpřímější možné dráhy v této zakřivené geometrii, které se nazývají geodetiky. Planeta proto neobíhá kolem Slunce proto, že by ji neviditelné lano táhlo do středu, ale protože se pohybuje v zakřiveném časoprostoru vytvářeném hmotností Slunce.

Teorie předpovídá ohyb světla gravitací, gravitační časovou dilataci, precesi drah, černé díry a gravitační vlny. Mnoho těchto jevů bylo experimentálně potvrzeno.

Jak vznikají gravitační vlny

Gravitační vlny vznikají při zrychleném pohybu hmoty, pokud se její rozložení mění dostatečně nesymetrickým způsobem. V technickém jazyce musí docházet ke změně kvadrupólového momentu hmoty.

Jednoduchá dokonale kulová hvězda, která pouze rovnoměrně pulsuje, nevytváří silné gravitační vlny. Výrazným zdrojem je naopak dvojice kompaktních těles obíhajících společné těžiště. Může jít o dvě černé díry, dvě neutronové hvězdy nebo smíšený systém.

Systém vyzařováním gravitačních vln ztrácí orbitální energii. Tělesa se postupně přibližují, jejich oběžná rychlost roste a frekvence vln se zvyšuje. Výsledný signál připomíná rychle stoupající tón, který fyzici označují jako chirp.

Nejsilnější část signálu vzniká v závěrečných okamžicích před splynutím. Po spojení se nově vzniklý objekt ustaluje a vysílá doznívající gravitační vlny označované jako ringdown.

Jak se gravitační vlny měří

Průchod gravitační vlny nepatrně prodlouží prostor v jednom směru a současně jej zkrátí ve směru kolmém. Změna je mimořádně malá. Pro typické astrofyzikální signály zachycené na Zemi může relativní změna délky dosahovat řádu 10⁻²¹.

Detektory LIGO, Virgo a KAGRA využívají laserovou interferometrii. Laserový paprsek je rozdělen do dvou kolmých ramen. Na jejich koncích se odráží od velmi přesných zrcadel a následně se paprsky znovu spojí. Pokud se délky ramen změní rozdílně, změní se interferenční obrazec.

Výzvou je odlišit skutečný kosmický signál od pozemského šumu. Detektory ovlivňují zemětřesení, doprava, vítr, tepelné pohyby atomů, kvantový šum světla i mechanické vibrace. Proto jsou zrcadla zavěšena na složitých tlumičích, vakuové trubice jsou mimořádně čisté a událost musí být porovnána mezi několika observatořemi.

Síť více detektorů pomáhá určit směr zdroje, ověřit pravost signálu a zkoumat polarizaci gravitační vlny. Rozdíly v čase příchodu signálu do jednotlivých observatoří fungují podobně jako triangulace.

GW150914: První přímá detekce gravitačních vln

Dne 14. září 2015 zaznamenaly oba detektory Advanced LIGO krátký signál, který dostal označení GW150914. Analýza ukázala, že pocházel ze závěrečného oběhu a splynutí dvou černých děr vzdálených přibližně 1,3 miliardy světelných let.

Původní černé díry měly přibližně 36 a 29 hmotností Slunce. Výsledná černá díra měla kolem 62 slunečních hmotností. Rozdíl odpovídající přibližně třem hmotnostem Slunce byl během zlomku sekundy vyzářen v podobě gravitačních vln.

Událost představovala první přímou detekci gravitačních vln a současně první přesvědčivý přímý důkaz existence dvojic černých děr hvězdné hmotnosti, které se mohou spojit během stáří vesmíru.

Objev zahájil gravitační astronomii. Lidstvo poprvé nezaznamenalo vzdálenou událost pomocí světla, ale prostřednictvím vln samotného časoprostoru.

Srážky neutronových hvězd a vznik těžkých prvků

Neutronová hvězda je extrémně hustý zbytek hmotné hvězdy po výbuchu supernovy. Objekt o hmotnosti srovnatelné se Sluncem může mít průměr pouze několik desítek kilometrů. Hmota v jeho nitru se nachází v podmínkách, které nelze běžně vytvořit v pozemské laboratoři.

Když dvě neutronové hvězdy obíhají společné těžiště, vyzařují gravitační vlny a postupně se přibližují. Při spojení dochází k mimořádně energetické události. Část neutronově bohaté hmoty je vyvržena do prostoru a probíhá v ní rychlý záchyt neutronů, označovaný jako r-proces.

R-proces vytváří velmi těžká atomová jádra. Pozorování neutronových srážek podporují závěr, že tyto události významně přispívají ke vzniku zlata, platiny a dalších těžkých prvků ve vesmíru. Přesný podíl různých kosmických zdrojů na celkové produkci jednotlivých prvků však zůstává předmětem výzkumu.

GW170817: Zrození multimessenger astronomie

Dne 17. srpna 2017 zachytily observatoře LIGO a Virgo dlouhý gravitační signál označený GW170817. Jeho vlastnosti odpovídaly splynutí dvou neutronových hvězd.

Přibližně 1,7 sekundy po gravitačním signálu zaznamenaly družice Fermi a INTEGRAL krátký gama záblesk GRB170817A. Následné optické, infračervené, ultrafialové, rentgenové a rádiové pozorování identifikovalo elektromagnetický protějšek události.

Poprvé byla jedna kosmická událost sledována prostřednictvím gravitačních vln a prakticky celého elektromagnetického spektra. Toto spojení umožnilo:

• potvrdit souvislost krátkých gama záblesků se srážkami neutronových hvězd,
• pozorovat kilonovu a produkci těžkých prvků,
• porovnat rychlost světla a gravitačních vln,
• testovat obecnou relativitu,
• nezávisle odhadnout kosmologickou vzdálenost zdroje.

Událost GW170817 je považována za počátek multimessenger astronomie s gravitačními vlnami.

Co je multimessenger astronomie

Tradiční astronomie sledovala vesmír především prostřednictvím elektromagnetického záření. Dnešní observatoře však mohou kombinovat několik nezávislých nositelů informace neboli poslů.

Fotony odhalují teplotu, chemické složení a magnetická pole. Neutrina unikají z hustých oblastí, kterými světlo obtížně prochází. Kosmické záření informuje o urychlování částic. Gravitační vlny přinášejí přímé údaje o pohybu kompaktních objektů a geometrii časoprostoru.

Pokud jsou dvě nebo více těchto informací spojeny s jednou událostí, výrazně se zvyšuje schopnost určit její fyzikální podstatu. Každý posel ukazuje jinou část příběhu.

LIGO, Virgo a KAGRA: Globální síť naslouchající časoprostoru

Jediný detektor nedokáže přesně určit směr zdroje a je citlivější na lokální rušení. Proto spolupracují observatoře LIGO, Virgo a KAGRA jako globální síť.

Čím více detektorů událost zachytí, tím lépe lze určit její polohu na obloze. Síť současně umožňuje zkoumat polarizaci vln, ověřovat konzistenci obecné relativity a snižovat pravděpodobnost falešného signálu.

KAGRA přináší dvě významné technické inovace: nachází se pod zemí, což omezuje část seismického a atmosférického rušení, a používá kryogenně chlazená zrcadla, která snižují tepelný šum.

LISA: Gravitační observatoř v meziplanetárním prostoru

Pozemské observatoře jsou citlivé především na gravitační vlny s frekvencemi přibližně od jednotek či desítek hertzů výše. Nízkofrekvenční gravitační vlny jsou na Zemi překryty seismickým a gravitačním šumem. Pro jejich detekci je nutné umístit observatoř do vesmíru.

ESA proto připravuje misi LISA – Laser Interferometer Space Antenna. Má ji tvořit trojice kosmických lodí pohybujících se po heliocentrické dráze. Lodě vytvoří přibližně rovnostranný trojúhelník o délce strany 2,5 milionu kilometrů a budou si mezi sebou vysílat laserové paprsky.

Uvnitř každé lodě budou volně plovoucí testovací hmoty ze slitiny zlata a platiny. Kosmické lodě budou sledovat jejich polohu a minimalizovat působení negravitačních sil. Gravitační vlna nepatrně změní vzdálenosti mezi testovacími hmotami, což se projeví v laserové interferometrii.

LISA má sledovat nižší frekvence přibližně od 0,1 milihertzu do 0,1 hertzu. Tím otevře oblast zdrojů, které pozemské observatoře nedokážou dobře zachytit:

• splynutí supermasivních černých děr,
• kompaktní dvojhvězdy v naší Galaxii,
• hvězdy padající do supermasivních černých děr,
• část raného inspirálu černých děr hvězdné hmotnosti,
• možné gravitační pozadí z raného vesmíru.

Start mise je podle aktuálního plánu ESA připravován na rok 2035. V roce 2025 začala konstrukční fáze projektu.

Co gravitační vlny testují v moderní fyzice

Gravitační vlny nejsou pouze novým astronomickým nástrojem. Umožňují testovat obecnou relativitu v režimu extrémně silné a dynamické gravitace, který byl dříve prakticky nedostupný.

Výzkumníci zkoumají:

• zda se vlny šíří rychlostí světla,
• zda mají pouze dvě polarizace předpovídané obecnou relativitou,
• zda jejich disperze odpovídá bezhmotnému gravitonu,
• zda průběh inspirálu, splynutí a ringdownu odpovídá numerické relativitě,
• zda výsledné objekty odpovídají Kerrovým černým dírám,
• zda existují známky exotických kompaktních objektů nebo modifikované gravitace.

Dosavadní výsledky jsou ve velmi dobré shodě s obecnou relativitou. To však neznamená, že je teorie definitivně úplná. Obecnou relativitu se dosud nepodařilo sjednotit s kvantovou teorií pole a standardním modelem částic.

Elektromagnetismus, gravitace a sjednocení fyziky

Elektromagnetická síla je popsána kvantovou elektrodynamikou a tvoří součást standardního modelu částicové fyziky. Gravitace je popsána obecnou relativitou jako geometrie časoprostoru. Obě teorie jsou ve svých oblastech mimořádně úspěšné, ale používají odlišný matematický jazyk.

V běžných podmínkách lze gravitaci a kvantové jevy zkoumat odděleně. V nitru černých děr nebo v nejranějších okamžicích vesmíru však musí být důležité současně. Fyzika proto hledá teorii kvantové gravitace, která by oba popisy spojila.

Mezi navrhované směry patří strunová teorie, smyčková kvantová gravitace a další přístupy. Zatím však neexistuje experimentálně potvrzená úplná teorie kvantové gravitace.

Co víme, co předpokládáme a co zatím nevíme

Nejčastější mýty o elektromagnetismu a kosmických vlnách

Jak správně sledovat kosmické počasí

1. Sledujte oficiální předpověď NOAA SWPC. Rozlišujte mezi rádiovým výpadkem R, radiační bouří S a geomagnetickou bouří G.
2. Nespoléhejte pouze na počet slunečních skvrn. Pro dopad na Zemi je důležitý směr CME a orientace jeho magnetického pole.
3. Rozlišujte erupci a CME. Rentgenové záření z erupce dorazí za osm minut, zatímco plazma CME obvykle až později.
4. Pro polární záři sledujte geomagnetickou aktivitu a oblačnost. Ani silná bouře nezaručí dobré pozorování za zatažené oblohy.
5. Nepodléhejte katastrofickým titulkům. Stupně NOAA vyjadřují možné technické dopady, nikoli automatický kolaps civilizace.
6. Ověřujte datum a zdroj obrázků. Starší fotografie a modely bývají na sociálních sítích vydávány za aktuální událost.

Závěr: Vesmír, který už nejen vidíme, ale také měříme mnoha způsoby

Elektromagnetismus propojuje světlo hvězd, magnetická pole planet, sluneční vítr, plazma, rádiové vlny a polární záře. Slunce je zdrojem energie pro život na Zemi a současně dynamickým magnetickým systémem, jehož výbuchy mohou ovlivnit technologie celé civilizace.

Kosmické záření přináší částice z nejenergetičtějších procesů Galaxie a vytváří v atmosféře kaskády sekundárních částic. Jeho studium stálo u zrodu částicové fyziky a dnes pomáhá zkoumat supernovy, temnou hmotu, antimaterii i podmínky budoucích meziplanetárních letů.

Gravitační vlny otevřely zcela nový způsob pozorování. Černé díry, které samy nevydávají světlo, lze sledovat prostřednictvím vln časoprostoru. Neutronové hvězdy lze současně pozorovat gravitačně, opticky, rentgenově, rádiově a v gama oboru.

Moderní fyzika tak už nevnímá vesmír jako soubor izolovaných objektů. Vidí jej jako dynamickou síť polí, částic, vln, gravitace a hmoty, ve které se energie neustále přenáší a mění podobu.

Doporučené odborné zdroje a studie

• NASA – The Electromagnetic Spectrum – přehled elektromagnetického spektra a astronomických pozorování.
• NASA – The Solar Dynamo – magnetické pole, sluneční cyklus a dynamo modely.
• NASA – Solar Storms and Flares – skvrny, erupce a koronální výrony hmoty.
• NASA – Auroras – vznik a barvy polární záře.
• NASA – Van Allen Belts – struktura a význam radiačních pásů.
• NOAA – Geomagnetic Storms – příčiny a fyzika geomagnetických bouří.
• NOAA Space Weather Scales – stupnice R, S a G a jejich možné dopady.
• NOAA – Space Weather and GPS Systems – vliv ionosféry na navigaci.
• CERN – Cosmic Rays: Particles from Outer Space – složení kosmického záření a atmosférické spršky.
• CERN – Alpha Magnetic Spectrometer – přesná měření kosmických částic na ISS.
• LIGO – Gravitational-Wave Detections – přehled detekovaných událostí včetně GW150914.
• LIGO – Observations of a Binary Neutron Star Merger – multimessenger pozorování GW170817.
• Virgo – Multimessenger Astronomy – spojení gravitačních vln a elektromagnetického záření.
• ESA – LISA – budoucí vesmírná observatoř gravitačních vln.
• ESA – Construction of LISA Begins – technická podoba mise a plánovaný start.

Často kladené otázky

Co je elektromagnetismus ve vesmíru?

Jde o působení elektrických a magnetických polí na nabité částice, plazma a elektromagnetické záření. Řídí velkou část chování hvězd, slunečního větru, magnetosfér a rádiových zdrojů.

Je Slunce skutečně elektrický generátor?

Slunce je generátorem magnetického pole prostřednictvím dynama v pohybujícím se plazmatu. Hlavním zdrojem jeho zářivé energie je však jaderná fúze, nikoli elektrický proud v běžném technickém významu.

Jaký je rozdíl mezi sluneční erupcí a CME?

Erupce je rychlé uvolnění energie a elektromagnetického záření. CME je oblak plazmatu a magnetického pole vyvržený do prostoru. Události mohou vzniknout společně, ale nejsou totožné.

Jak rychle se účinek sluneční erupce dostane k Zemi?

Elektromagnetické záření dorazí přibližně za osm minut. Energetické protony mohou dorazit během desítek minut a koronální výron hmoty obvykle za jeden až několik dnů.

Proč je polární záře nejčastěji zelená?

Nejběžnější zelenou barvu vytváří atomární kyslík ve výšce přibližně kolem 100 až 150 kilometrů, který po excitaci vyzařuje světlo kolem vlnové délky 557,7 nanometru.

Proč je někdy polární záře červená?

Červenou emisi vytváří atomární kyslík ve vyšší a řidší atmosféře. Excitovaný stav potřebuje delší dobu k vyzáření fotonu, a proto je červená emise snáze zachována tam, kde jsou srážky méně časté.

Mohou geomagnetické bouře poškodit elektrickou síť?

Ano. Rychlé změny magnetického pole mohou v dlouhých vodičích indukovat proudy, které zatěžují transformátory a regulaci sítě. Riziko závisí na síle bouře, geologickém podloží a konstrukci sítě.

Mohou sluneční bouře vypnout internet?

Globální internet se neskládá z jediného systému, takže úplný celosvětový výpadek není automatickým důsledkem bouře. Ohroženy mohou být družice, rádiová komunikace, navigace, elektrické sítě a některé dálkové kabelové systémy.

Co jsou Van Allenovy pásy?

Jde o oblasti energeticky nabitých částic zachycených magnetickým polem Země. Vnitřní pás obsahuje převážně protony, vnější především elektrony.

Je kosmické záření elektromagnetické?

Většinou ne. Převážnou část tvoří protony, jádra helia a těžší atomová jádra. Gama záření je elektromagnetické, ale představuje jiný fyzikální jev.

Odkud pochází kosmické záření?

Část pochází ze Slunce, většina galaktické složky z vysokoenergetických procesů v Galaxii. Za důležité zdroje jsou považovány zbytky supernov, pulzary a další kosmické urychlovače. Původ nejenergetičtějších částic není definitivně znám.

Je kosmické záření nebezpečné na povrchu Země?

Atmosféra a magnetické pole poskytují velmi významnou ochranu. Na povrchu jde o část běžného přírodního radiačního pozadí. Riziko roste ve vysoké nadmořské výšce a zejména v kosmickém prostoru.

Co je gravitační vlna?

Je to šířící se změna geometrie časoprostoru vyvolaná zrychleným pohybem hmoty, například oběhem a splynutím černých děr nebo neutronových hvězd.

Je gravitační vlna totéž co gravitační síla?

Ne. Gravitační pole může být stálé nebo pomalu proměnlivé. Gravitační vlna je dynamická porucha, která se šíří prostorem rychlostí světla.

Je gravitační vlna slyšitelná?

Sama o sobě není zvukovou vlnou. Naměřený frekvenční průběh lze převést na zvukový signál, takže člověk může slyšet jeho sonifikaci.

Jak LIGO měří změnu menší než proton?

Pomocí laserové interferometrie, velmi dlouhých optických ramen, stabilních zrcadel, vakuových systémů, izolace vibrací a porovnání signálu mezi několika detektory.

Co bylo GW150914?

První přímo detekovaná gravitační vlna. Vznikla splynutím dvou černých děr přibližně 1,3 miliardy světelných let od Země.

Co bylo GW170817?

Gravitační signál ze splynutí dvou neutronových hvězd, který byl současně sledován gama, optickými, infračervenými, rentgenovými a rádiovými observatořemi.

Co je kilonova?

Je to elektromagnetický záblesk spojený se srážkou neutronových hvězd nebo neutronové hvězdy s černou dírou. V neutronově bohaté vyvržené hmotě mohou vznikat velmi těžké prvky.

Co bude měřit LISA?

LISA má z vesmíru sledovat nízkofrekvenční gravitační vlny od supermasivních černých děr, kompaktních dvojhvězd a dalších zdrojů nedostupných pozemským observatořím.

Kdy má být LISA vypuštěna?

Podle aktuálního plánu Evropské kosmické agentury je start trojice kosmických lodí plánován na rok 2035.

Co je multimessenger astronomie?

Je to studium jedné kosmické události pomocí několika nositelů informace, například elektromagnetického záření, gravitačních vln, neutrin a kosmických částic.

Dokazuje moderní fyzika, že všechno je vibrace?

Fyzika popisuje mnoho systémů pomocí kmitání, vln a kvantových polí, ale populární tvrzení „všechno je vibrace“ je příliš obecné. Různé vlny a oscilace mají odlišný fyzikální původ, vlastnosti a zákony.

Mohou geomagnetické bouře přímo měnit lidské vědomí?

Pro přímý a předvídatelný vliv geomagnetických bouří na lidské vědomí neexistuje spolehlivý vědecký důkaz. Prokazatelné jsou především dopady na ionosféru, technologie a radiační prostředí.