Stálice z říše divů: Jak vypadají hvězdy složené z kvarků, bosonů nebo preonů?

Při pohledu na noční oblohu by se zdálo, že hvězdy představují v kosmu převažující typ objektů. Zdání však klame. Podle současné kosmologie tvoří vesmír především těžko pochopitelná temná energie – substance, jejíž podstata stále ještě uniká správnému pojetí – a skrytá látka, která se projevuje pouze gravitací, ale nijak nezáří. Pouhých necelých 5 % hmoty a energie kosmu utváří nám známá „normální“ (odborně baryonická) hmota a z toho je asi jen 10 % uloženo ve hvězdách. Drtivá většina baryonické hmoty se nachází v plynu.

Stálice se však jedna od druhé liší zejména hmotností, od níž se odvíjí převážná část jejich vlastností – především vývoj či chemické složení. Ve vesmíru tak najdeme hvězdy, které jsou snad jen 80krát hmotnější než Jupiter (dosahují tedy asi 7 % hmotnosti Slunce), ale i ty, jejichž hmotnost překonává naši hvězdu 100krát. V minulosti se přitom mohly objevit i stálice 500krát hmotnější než Slunce.

Jelikož neznáme dostatečně přesně statistické rozdělení hvězd podle jejich hmotnosti, které by bylo reprezentativní pro celý vesmír, můžeme jejich celkový počet pouze odhadovat. V průměrné galaxii se nachází přibližně 100 miliard stálic, přičemž hvězdných ostrovů je ve vesmíru asi 10 bilionů. Celkově se tak v kosmu pravděpodobně vyskytuje kvadrilion (10²⁴) hvězd, plus minus nějaký řád – což je opravdu úctyhodné množství.

Nehmota jako základ

Teorie niter hvězd a hvězdného vývoje, jež tvoří základ astrofyziky, zahrnovala výhradně stálice složené z baryonické hmoty. Jako hvězdu označují astronomové objekt, který je v hydrostatické rovnováze (tj. „kulatý“) a současně si po značnou část svého života vyrábí energii v nitru termojadernými reakcemi.

Známé fyzikální principy však připouštějí i existenci těles v hydrostatické rovnováze, jejichž podstatou je jiná než běžná baryonická hmota. Protože jde většinou o velmi hmotné objekty, mluví se o nich jako o hvězdách. V některých případech by se přitom mohlo jednat o pozdní vývojová stadia běžných stálic. Existence zmíněných objektů je ovšem pouze hypotetická, dosud nepodložená jednoznačnými pozorovacími důkazy.

Kvarkové hvězdy: Jako obří nukleon

V závěrečných fázích vývoje velmi hmotných hvězd dochází k neutronové degeneraci hmoty, kdy se protony přeměňují na neutrony, a výsledný objekt – neutronová hvězda – může bez odporu elektrostatického působení dosáhnout vysokého stupně gravitační kontrakce. Teorie připouští, že by se mohly neutrony pod tlakem rozpadnout na elementární částice, kvarky. Takový objekt by byl ještě kompaktnější než neutronová hvězda; a pokud by z okolí nepřitékala žádná další hmota, jež by mohla podnítit pokračování kolapsu až na černou díru, mohla by stálice setrvat ve stadiu tzv. kvarkové hvězdy do konce svého života. V podstatě by se stala makroskopickou elementární částicí – nukleonem.

Objekt nesoucí označení 3C58, pulzar v souhvězdí Kasiopeji, představuje dost možná pozůstatek supernovy z roku 1181, ale snad je i mnohem starší. Každopádně se zdá, že chladne podstatně rychleji, než by odpovídalo standardní teorii neutronových hvězd. Jedno z možných vysvětlení zní, že se jedná o kvarkovou hvězdu. Různé odborné práce připouštějí, že by kvarkovými hvězdami mohly teoreticky být ještě další dva známé pulzary; a pečlivá pozorování čtyř výbuchů supernov z poslední doby naznačují, že se při nich vytvořila kvarková hvězda. V každém případě jde o důkazy značně nepřímé.

Elektroslabé hvězdy: Hustší a podivnější

Kvarkové hvězdy jsou ze všech hypotetických stálic asi nejméně exotické. Zaměřme se však nyní na kolabující supernovy, tedy závěrečná stadia osamocených stálic. Podle některých modelů může v průběhu kolapsu nastat stav, kdy těleso vzdoruje gravitační síle tlakem záření, které se uvolňuje během tzv. elektroslabého hoření. Během zmíněného procesu se kvarky přeměňují na leptony (elektrony, ale především neutrina) pomocí elektroslabé interakce. Vznikají při tom fotony velmi tvrdého záření. Taková stálice by se po relativně krátkou dobu, asi 10 milionů let, udržela stabilní.

Model vnitřní struktury elektroslabé hvězdy. Její vnější vrstvy tvoří zřejmě podobný materiál jako hvězdy neutronové. Stálice má průměr zhruba 5 km. V jejím centru se nachází jádro o rozměru jablka, tvořené směsí kvarků měnících se na leptony. Takto malé jádro by však dosahovalo asi dvou hmotností Země.

Elektroslabé hvězdy by mohly vznikat v okamžiku, kdy tlak kvarkové degenerace uvnitř kvarkové stálice nezvládne vzdorovat vlastní gravitaci. Z toho vyplývá, že by elektroslabé hvězdy měly mít ještě větší hustotu než hvězdy kvarkové. Opět se jedná o čistě hypotetické objekty, které navíc na rozdíl od kvarkových stálic nemají žádného slibného kandidáta. Příčina však možná tkví ve výběrovém efektu a také v krátké životnosti elektroslabých stálic.

Bosonové hvězdy: Černé veledíry?

Výše popsané kvarkové i elektroslabé hvězdy se skládají z fermionů, tedy z elementárních částic s poločíselným spinem. Pro fermiony platí Pauliho vylučovací princip, podle nějž nelze nalézt dva fermiony ve stejném kvantovém stavu. Proto například není možné, aby měly všechny fermiony základní energii. Této vlastnosti vděčíme za existenci chemické bohatosti, neboť jen proto vytvářejí elektrony okolo atomů složité elektronové obaly. Kdyby byl elektron boson – částice s celočíselným spinem, která se vylučovacím principem neřídí – napadaly by všechny elektrony na základní energetickou hladinu a žádné strukturované elektronové obaly by nevytvářely. Chemická bohatost tohoto světa by byla tatam.

Co kdyby tedy ve vesmíru existovaly makroskopické objekty sestávající z bosonů? Označili bychom je jako bosonové hvězdy a musely by být velice husté, neboť právě Pauliho vylučovací princip je podstatou všech degeneračních sil, které kladou odpor gravitaci. Aby tedy bosonové hvězdy mohly vůbec existovat, musela by je tvořit nějaká skupina bosonů, pro něž existuje repulzivní síla. Vědci uvažují o exotických bosonech, například o hypotetických axionech, jež někteří odborníci pokládají za klíč k pochopení podstaty skryté látky. Na rozdíl od fermionových hvězd by se však bosonové hvězdy musely zformovat během raných fází vývoje vesmíru, krátce po Velkém třesku; určitě by nemohly vznikat kolapsem běžných objektů.

Velmi hmotné bosonové hvězdy představují elegantní řešení problému černých veleděr v jádrech galaxií, jejichž vznik se nepodařilo standardními cestami uspokojivě vysvětlit. Kdyby se místo nich nacházely v oblastech galaktických center bosonové hvězdy z nejranějších etap vývoje vesmíru, o hmotnostech milionů až miliard sluncí, nebylo by třeba se problémem vzniku černých veleděr vůbec zabývat. Nepozorovatelné bosonové hvězdy menších hmotností by také pěkně řešily chybějící skrytou látku.

Preonové hvězdy: Mimo současnou fyziku

Někteří vědci se nenechávají brzdit aktuálním stavem poznání a v konstrukci exotických objektů jdou ještě dál. Domnívají se například, že podobně jako atomové jádro tvoří protony a neutrony, jež dále sestávají z kvarků, tak ani kvarky (nebo leptony) nelze považovat za skutečně elementární částice: Skládají se z ještě menších konstituentů – preonů. Ty se však navzdory nezměrnému úsilí nepodařilo na urychlovačích detekovat a o jejich existenci nesvědčí ani náznaky z prováděných experimentů. Kdyby byly preony reálné, nic by asi nebránilo teoretickému konstruktu preonové hvězdy. Teoretikové očekávají, že by takové objekty byly opravdu superhusté, s hodnotami okolo 10²³ kg/m³, což asi o šest řádů překonává neutronové stálice.

TIP: Hypotetické objekty: 10+1 vesmírných objektů, které nejspíš neexistují

Preonové hvězdy by buď mohly představovat pozůstatky po Velkém třesku, nebo by mohly vznikat při výbuších supernov. Vystavěná teorie od nich nepožaduje, aby byly extrémně hmotné, a tak by preonové hvězdy s pouhou desetinou hmotnosti Slunce mohly být dlouhodobě stabilní. Preonová stálice s hmotností 100 ekvivalentů Země by pak měla rozměr okolo jednoho metru. I preonové hvězdy jsou kandidátem na podstatu skryté látky. S baryonickou hmotou by interagovaly pouze gravitačně, a jejich mapování – pokud existují – lze tedy provádět jen nepřímo.