Denník N

Na hviezdy sa podobáme viac, než sme si mysleli

V strede známej krabej hmloviny sa nachádza pulzar – neutrónová hviezda s hmotnosťou nášho Slnka, no veľká ako menšie mesto. Ilustračné foto – NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU)
V strede známej krabej hmloviny sa nachádza pulzar – neutrónová hviezda s hmotnosťou nášho Slnka, no veľká ako menšie mesto. Ilustračné foto – NASA, ESA, J. Hester, A. Loll (ASU)

Fyzici našli podobnosť medzi hmotou neutrónových hviezd a časťami buniek.

Odkiaľ pochádzajú atómy, ktoré tvoria svet okolo nás?

Odpoveď je viac ako poetická: všetko, vrátane našich tiel, je zložené z hviezdneho prachu.

Všetky atómy vo vesmíre vznikli v procese termonukleárnych reakcií (fúzií) prebiehajúcich v jadrách hviezd. Najprv vzniklo hélium (He) z vodíka (H), neskôr berýlium (Be) a uhlík (C), napokon ďalšie prvky od kyslíka (O) až po železo (Fe) a nikel (Ni).

Podľa nového výskumu amerických vedcov je však naše prepojenie s vesmírom hlbšie. Výskumníci na čele s teoretickým fyzikom Gregom Huberom si všimli výrazné štruktúrne podobnosti medzi hmotou neutrónových hviezd a časťami našich buniek.

Život hviezd je o rovnováhe dvoch síl. Gravitačná sila sa snaží celú hmotu stlačiť dokopy, dôsledkom čoho sa však naštartujú jadrové reakcie (premena ľahkých prvkov ako vodík na ťažšie), ktoré zvyšujú teplotu, a teda aj tlak, ktorý gravitačný kolaps zastaví.

Neutrónové hviezdy

Situácia začína byť zaujímavá, keď hviezde začne dochádzať jej základné palivo – vodík, čím sa naruší dlhotrvajúca rovnováha. Čo bude nasledovať, závisí od hmotnosti danej hviezdy. Kým tie menšie viac-menej pokojne dotlejú, masívne hviezdy ukončujú svoj život okázalejšie – ako supernovy.

Pri záblesku, keď hviezda zažiari viac ako celá galaxia, odvrhne svoj plášť a odhalí svoje superhusté jadro. Keď sa situácia upokojí, môžeme nájsť na mieste, kde bolo kedysi jadro hviezdy, buď neutrónovú hviezdu, čiernu dieru, alebo nič (vtedy hovoríme o hypernove, explózii o ešte niekoľko rádov silnejšej od supernovy).

Čierne diery sú už pomerne známe objekty – objekty také husté, že z nich nedokáže uniknúť ani svetlo. Neutrónové hviezdy by sme mohli nazvať „chýbajúcim článkom“ medzi hviezdou a čiernou dierou.

Bežná hmota sa skladá z protónov, neutrónov a elektrónov. Protóny a neutróny tvoria jadrá, okolo ktorých v pomerne veľkej vzdialenosti lietajú elektróny. Obrovská gravitácia však spôsobí, že sa atómy stlačia dokopy, elektróny splynú s protónmi a vo výsledku ostane len hustá neutrónová hmota.

Slovo hustá by si zaslúžilo zdôrazniť – jedna lyžička neutrónovej hviezdy je ťažká zhruba ako tisíc Veľkých pyramíd v Gize. Na rozdiel od čiernej diery sa z jej povrchu dá uniknúť: treba na to dosiahnuť zhruba polovicu rýchlosti svetla.

Bunkové parkovisko a nukleárne cestoviny

Je ťažké priamo zmerať vlastnosti neutrónových hviezd, a tak ich výskumníci často skúmajú na (super)počítačoch. Vložia do systému niekoľko desaťtisícov neutrónov, opíšu počítaču interakciu medzi nimi a sledujú, čo sa bude diať.

Na veľké prekvapenie pozorovali, že sa často usporiadajú do tvaru, ktorý je dobre známy biológom – pripomínalo to, čomu sa odborne hovorí endoplazmatické retikulum. Opísali ho ako „niekoľkopodlažné parkovisko“, paralelné plochy sú v ňom prepojené šikmými cestičkami. Podobnosť sa skutočne nedá poprieť, ako vidieť na obrázku nižšie.

3D usporiadanie endoplazmatického retikula (vľavo) a systém hmoty nájdený v neutrónových hvoezdach (vpravo). Foto – US Santa Barbara
3D usporiadanie endoplazmatického retikula (vľavo) a systém hmoty nájdený v Skorigované. neutrónových hviezdach (vpravo). Foto – US Santa Barbara

Endoplazmatické retikulum je jedným z druhov bunkových organel, zložené je z mikroskopických cisterničiek a trubíc. Tiahne sa cez celý objem bunky, vďaka čomu výrazne zväčšuje jej vnútorný povrch. Na povrchu cisterničiek a trubičiek prebiehajú rôzne reakcie, ako napríklad syntéza bielkovín a enzýmov alebo tukov a hormónov.

Jednotlivé vrstvy endoplazmatického retikula sú v 3D priestore usporiadané do tvaru, ktorý sa podobá na poschodovú garáž. Jav po prvý raz pozoroval spomínaný Greg Huber v roku 2014.

Tento tvar vedci doteraz pripisovali len endoplazmatickému retikulu, až kým Huber nenarazil na výskum ďalšieho fyzika, Charlesa Horowitza, ktorý našiel veľmi podobné útvary počas simulácií procesov prebiehajúcich v neutrónových hviezdach.

Fyzici hovorili útvarom inak, nazývali ich nukleárne cestoviny. Tie sa skladali zo špagiet (systém trubíc) a paralelne usporiadaných vrstiev pripomínajúcich lazane.

„Zavolal som Chuckovi a opýtal som sa, či si je vedomý toho, že sme rovnaké štruktúry pozorovali v bunkách a že pre ne už máme vyvinutý model. Bola to pre neho novinka, neskôr sa medzi nami vyvinula spolupráca,“ vysvetlil Huber v správe univerzity. Jej výsledkom je štúdia uverejnená v žurnále Physical Review C.

Slovníček pojmov

Neutrónová hviezda predstavuje pozostatok po výbuchu supernovy. Tvorí ju veľmi hustá neutrónová hmota, ktorá sa v priestore usporadúva do tvaru podobného poschodovým garážam či zapekaným lazaniam.

Endoplazmatické retikulum je jedna z bunkových organel, ktorá sa tiahne celým objemom bunky. Ide o naskladaný systém membrán, ktorý vytvára cisterničky a kanáliky. Tiež sa podobá na garáž či známe talianske cestoviny. V bunke slúži na výrobu tukov, hormónov alebo bielkovín. Vzhľad retikula pod mikroskopom prednedávnom, pravdepodobne nechtiac, priblížila aj populárna speváčka Beyoncé. Jej latexové šaty vyzerajú ako drsné endoplazmatické retikulum posiate perličkami ribozómov.

https://twitter.com/_collegehumor_/status/727350609029005312

Lienka a kvapka

Že sa na seba podobajú dve úplne rozdielne veci, je zaujímavé, no nie úplne unikátne. Cievy v ľudskom tele majú podobnú štruktúru ako tie v listoch a neprekvapuje to. Obe majú podobnú úlohu a sú odpoveďou na tú istú otázku: ako pokryť čiarami čo najväčšiu plochu.

Podobnosti sa však dajú nájsť aj medzi živou a neživou prírodou. Určite ste už niekedy videli lienku, ako sedí na liste, hneď vedľa kvapky ranej rosy. Obe majú tvar pologule, no v prípade kvapky sa nedá hovoriť o nejakom účele. Spája ich skutočnosť, že sú obe odpoveďou na tú istú otázku: ako minimalizovať plochu, ktorá obaľuje daný objem. Kým tvar lienky je výsledkom evolúcie, tvar kvapky udáva povrchové napätie vody.

Lienka a kvapka. Ilustračné foto - Tasr
Lienka a kvapka. Ilustračné foto – Tasr / Ap

Podobne vyzerajúce dvojice exitujú aj medzi biológiou a astrofyzikou: napríklad usporiadanie neurónov v mozgu a usporiadanie galaxií vo vesmíre. Na usporiadanie neurónov sa dá pozerať ako na útvar, ktorý je z nejakého ohľadu optimálny, na galaxie ako na výsledok základných fyzikálnych zákonov.

Z tohto pohľadu nie je nedávny objav prekvapivý. No určite je zaujímavý. Kým pre laikov skôr vizuálne, výskumníkom umožní lepšie pochopiť, ako fungujú objekty, ktoré skúmajú, v tomto prípade neutrónové hviezdy.

Ako sa vyjadril fyzik Horowitz, „To, že vidíme tak veľmi podobné tvary vo veľmi odlišných systémoch, nám napovedá, že energia týchto systémov by mohla jednoducho a univerzálne závisieť od tvaru.“ Huber zase dodal, že „náš výskum rozhodne nepredstavuje koniec, ide o začiatok pozorovaní týchto dvoch modelov.“

Dostupné z doi: 10.1103/PhysRevC.94.055801.

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Príroda

Veda

Teraz najčítanejšie