Rozhovor: Viktor Votruba - Pulzující hvězdy

Seznamme se s pulzujícími hvězdami. Jak se chovají?
Hvězda, která pulzuje, mění v čase svůj tvar, například se rozpíná a zase smršťuje. Hovoříme pak o takzvaných radiálních pulzacích. Z tohoto důvodu pak pulzující hvězdy mění svoji jasnost, takže na obloze je můžeme spatřit či objevit jako proměnnou hvězdu. Pokud je hvězda dostatečně jasná, můžeme ji vidět i pouhým okem. Jako dobrý příklad jasné pravidelně pulzující hvězdy viditelné pouhým okem může posloužit hvězda delta Cephei, která se nalézá v souhvězdí Cefea. Byla objevena už v roce 1784 a podle ní je pojmenována celá jedna třída pulzujících hvězd, cefeid, které hrají mimochodem významnou roli při určování vzdáleností ve vesmíru. To je ale jiná kapitola. Typů pulzujících hvězd je mnoho a jednotlivé typy se od sebe liší především průběhem změn jasností a také, pokud se jedná o periodické změny, i délkou periody.

Jaké jsou příčiny změn pulzujících hvězd?
Všichni asi tušíme, proč kmitá závaží zavěšené na pružině – působením gravitace Země. Vratnou sílu, která nutí při vychýlení kmitat zaváží okolo klidové polohy, zajišťuje právě ona pružina. Hvězdy pulzují z podobného důvodu, místo pružiny však ve hvězdném obalu musí být speciální vrstva, která funguje obdobně jako pružina. Při svém stlačení účinně akumuluje energii ze spodních vrstev, což ji posléze nutí k rozpínání a následnému ochlazování a opětovnému smrštění. Tato vrstva (resp. vrstvy) však jsou přítomny ve hvězdách pouze za určitých podmínek. To vysvětluje, proč nepulzují všechny hvězdy, ale pouze některé. Hvězdy se zkrátka za svůj život vyvíjí a mění a pouze v určité fázi vývoje se v ní může vytvořit vrstva umožňující pulzace.

Proč některé pulzující hvězdy nepulzují pravidelně?
Jak už jsem zmínil na začátku, pulzující hvězdy mohou ale nemusí pulzovat pravidelně. Námi nastíněný mechanismus pomocí pružiny je velmi zjednodušený, ve skutečnosti při kmitavém pohybu může docházet k dalším vazbám, které zpětně ovlivňují pulzace. Přítomnost těchto dalších zpětných vazeb může chování pulzací radikálně změnit. Výsledný průběh změn pak může být velmi komplikovaný a vést až ke stavu mezi fyziky nazývaném deterministický chaos. Pokusím se nastínit o co jde. Představte si že známe přesně rovnice, které popisují chování našeho systému, v našem případě tedy hvězdné pulzace. Rovnice však jsou komplikované, nelze je řešit pomocí běžných metod, chcete-li vzorečků, ale pouze numericky. Numericky lze řešit prakticky téměř cokoliv, bohužel však jsou za určitých okolností tyto rovnice natolik citlivé na vstupní údaje, že sebemenší nepřesnost při jejich zadávání vede po určité době k velmi rozdílným výsledkům. Takovým ukázkovým systémem je třeba modelování počasí. Rovnice popisující počasí vykazují stejnou extrémní citlivost na vstupní údaje, že lze s nadsázkou říci, že mávnutí motýlích křídel v Brazílii je schopno vyvolat tornádo v New Yorku. Známý efekt motýlích křídel, který nám vlastně říká, že předpovídat takové počasí je velmi ošidné a jde to pouze do určité míry. A podobně citlivé rovnice mohou popisovat i pulzující hvězdy se silnou zpětnou vazbou.

Dá se tedy vůbec chování takových hvězd předpovídat?
Ale abychom nebyli takový pesimisté. Přeci jen neplatí, že chaotické chování znamená apriori nepředvídatelné. Stejně jako jsme schopni předpovědět počasí na dobu dvou dní velmi dobře, podobně lze předpovídat i chování chaoticky pulzujících hvězd na určitou dobu a to pouze s použitím již napozorovaných dat. A velmi užitečným pomocníkem při takovém předpovídání jsou metody umělé inteligence, neuronové sítě. Ty jsou totiž schopné podchytit složitost systému, ony zpětné vazby a tak umožnit lepší předpovědi oproti klasickým metodám.

Jak jsou ty předpovědi spolehlivé? Na kolik period dopředu se dá odhadnout chování hvězdy?
To slovo perioda tady má trochu jiný význam, než jsme zvyklí. Nejedná se o přesně se opakující jev, takže se hovoří spíše o cyklech. Odhadnout dobu, na kterou jsme schopni předpovídat počasí, pulzování hvězd a jiné chaotické systémy lze, když zjistíme do jaké míry je daný systém chaotický. Čím méně bude citlivý na vstupní údaje, tím delší dobu jsme schopni předpovídat. Kýžená charakteristika se jmenuje Lyapunův exponent a udává matematicky, jak rychle se od sebe vzdalují ve stavovém prostoru dva body, které byly na začátku velmi blízko sebe v důsledku časového vývoje. Pro názornost, pokud do počítače zadáme vstupní údaje, které se liší třeba až na pátém desetinném místě, pak Lyapunův exponent nám řekne, za jak dlouho se výsledný stav systému bude výrazně lišit. Díky tomu můžeme odhadnout dobu, po kterou dokážeme předpovědět chování pulzující proměnné hvězdy. Samozřejmě je to jen horní odhad a v praxi takové přesnosti nejsme schopni dosáhnout, pokud používáme k předpovědi pouze naměřených údajů.

Na otázky Petra Sobotky odpovídal dr. Viktor Votruba ze Stelárního oddělení Astronomického ústavu AV ČR.

Převzato ze stránek Astronomického ústavu AV ČR