Pomocou laserov k pochopeniu supernov - časť 1/3

  • Valentín Korinek | 4 Január 2021
    Svet fyziky
Vedci hlbšie skúmajú fyziku supernov pomocou najenergetickejších laserov na svete, ako je napríklad laser OMEGA (zobrazený) na Univerzite v Rochestri (New York). (Eugene Kowaluk / ULfLE Rochester)
Fyzička Hye-Sook Park  sa podrobne venuje fyzike explodujúcich hviezd tzv. supernov. Ide o kozmické explózie tak obrovských rozmerov, že si to vieme len ťažko predstaviť. Využíva na to veľmi impozantný spôsob. Namiesto toho, aby študovala tieto explózie pomocou ďalekohľadov, vyrába si ich sama v laboratóriu výkonnými vysoko energetickými laserami, najsilnejšími aké na Zemi máme. Energie sú podobné energiám explodujúcich hviezd.

Začalo to pred desiatimi rokmi, keď sa Parková a jej kolegovia vydali na cestu k fascinujúcej, no zle pochopenej vlastnosti supernov: rázové vlny, ktoré sa tvoria pri prvotných explóziach, môžu “postrčiť“ častice, ako sú protóny a elektróny, k extrémnym energiám.

Rázové vlny zo supernov sú jedny z najsilnejších urýchľovačov častíc vo vesmíre. Niektoré z týchto častíc sa nakoniec zrazia so Zemou a to po šialenom maratóne na obrovských vesmírnych vzdialenostiach. Vedci si už dlho lámali hlavu nad tým, ako tieto rázové vlny dodávajú energetickým časticiam ich enormné zvýšenie rýchlostí.

Parkovej tím konečne vytvoril v laboratóriu rázovú vlnu ako pri supernove a sledovali proces vyvrhovania častíc, ktorý by mohol odhaliť procesov, ktoré sa dejúvo vesmíre. Takýto prenos fyziky supernov na Zem by nám mohlo pomôcť vyriešiť ďalšie záhady vesmíru, ako napríklad pôvod kozmických magnetických polí. Samozrejme dôvodov, prečo sú fyzici fascinovaní supernovami je omnoho viac.

Tieto explózie poskytujú niektoré zo základných stavebných kameňov potrebných pre našu existenciu. Rozličné atómy, od železa v našej krvi, cez vápnik v našich kostiach, až po kyslík, ktorý dýchame, pochádzajú zo vzdialených hviezd končiacich v extrémnych explóziách. Sme doslova stvorení z hviezd.

Ako postgraduálny študent v 80. rokoch pracovala Parková na experimente 600 metrov pod zemou v soľnej bani pod jazerom Erie v Ohiu. Experiment, ktorý sa nazýva IMB (Irvine-Michigan-Brookhaven) nebol navrhnutý na štúdium supernov. Vedci však mali šťastie. V satelitnej galaxii Mliečnej cesty explodovala hviezda a  IMB zachytil častice tejto explózie. Títo energetickí poslovia z neďalekého susedstva, ľahké subatomárne častice nazývané neutrína, odhalili množstvo nových informácií o supernovách.


Doktorka Hye-Sook Parková, ako postgraduálny študent v 80. rokoch (vľavo) a v súčasnosti (vpravo), používa na štúdium supernov výkonné lasery. ( John Van der Velde; Lanie L. Rivera / Národné laboratórium Lawrenca Livermora)

Supernovy sú veľmi zriedkavé udalosti, a tak sa namiesto čakania na nejakú ďalšiu, Parková spolu s kolegami rozhodli, že použijú mimoriadne výkonné lasery na vytvorenie podobných udalostí. Lasery odparujú malý terč, ktorý môže byť vyrobený z rôznych materiálov, napríklad z plastu. Úder spôsobí výbuch rýchlo sa pohybujúcej plazmy, zmesi nabitých častíc, ktorý napodobňuje správanie plazmy vyvrhujúcej do okolia pri supernovách. (plazma je štvrté skupenstvo hmoty. Na Zemi je najlepším príkladom blesk. Niekedy si ľudia myslia, že aj oheň je plazmového skupenstva, čo nie tak celkom pravda. V plazme sa už elektróny nenachádzajú v atómových obaloch. V ohni áno. Plazma je nepriehľadná, preto nevidíme skrze Slnko, je to plazmová žeravá guľa, nie plynová žeravá guľa.)

K zániku hviezdy a následnej explózii môže dôjsť dvomi spôsobmi. Buď ide o masívnu hviezdu, ktorá vo svojom jadre vyčerpala zásoby paliva pre fúziu a začala sa zmršťovať pod silou svojej vlastnej gravitácie, alebo o bieleho trpaslíka, ktorý nahromadil materiál od svojho hviezdneho sprievodcu, dosiahol Chandrasekharovu medzu a prešiel termonukleárnou explóziou. V oboch prípadoch výsledná explózia supernovy rozmetá obrovskou silou väčšinu alebo všetku hmotu hviezdy a môže uvoľniť viac energie, ako vydá Slnko počas celej svojej existencie čo je cca 10 miliárd rokov. Zhruba neuveriteľných 100 kvintiliónov yottajoulov kinetickej energie.  


Zvyšky supernovy  W49B (zobrazené v röntgenovom, rádiovom a infračervenom svetle) urýchľujú elektróny a protóny na vysoké energie pri  rázových vlnách. (NASA, CXC, MIT L. Lopez a kol. (Röntgen), Palomar (infračervené), VLA / NRAO / NSF (rádio)

V oboch prípadoch vznikne po supernove hmlovina, ktorá sa neustále rozpína a môže jej to trvať aj milióny rokov, kým sa všetok prach a plyn rozplynie. Štúdium fyziky supernov v laboratóriu nie je zo zrejmých dôvodov celkom to isté ako v skutočnosti. Nemôžeme vytvoriť skutočnú supernovu v laboratóriu, inak by sme všetci explodovali.

Vedci sa viac menej zameriavajú na verzie supernov, ktoré sú zmenšené, čo do veľkosti aj času. Namiesto toho, aby teda reprodukovali celú supernovu naraz, pokúšajú sa v každom experimente izolovať rôzne úseky prebiehajúce pri explóziách. Z nesmiernej zložitosti supernovy študujú skutočne len nepatrné zlomky.

V prípade výbuchov vo vesmíre sme vydaní na milosť a nemilosť prírode, pretože nevieme vypočítať, kde a kedy nejaká tá supernova exploduje. Naopak  v laboratóriu môžeme meniť parametre a sledovať, ako rázové vlny prebiehajú.

Laboratórne výbuchy sa dejú v okamihu a sú malé, ich priemer je len niekoľko centimetrov. Napríklad v Kuranzových experimentoch môže ekvivalent 15 minút v živote skutočnej supernovy trvať v laboratórnych podmienkach iba 10 milióntin sekundy. A časť hviezdnej explózie, ktorá je väčšia ako priemer Zeme, sa dá zmenšiť na 100 mikrometrov. Procesy v reálnom vesmíre aj v laboratóriu sú si veľmi podobné.

...pokračovanie v časti  Pomocou laserov k pochopeniu supernov - časť 2/3...