Kiedy duża gwiazda ulega zapadkowi grawitacyjnemu pod koniec swojego życia, często powstaje gwiazda neutronowa. To pozostaje po tym, jak zewnętrzne warstwy gwiazdy zostały zdmuchnięte w wyniku ogromnej eksplozji (tj. Supernowej), a rdzeń został skompresowany do ekstremalnej gęstości. Następnie prędkość obrotu gwiazdy znacznie wzrasta, a gdy emitują wiązki promieniowania elektromagnetycznego, stają się „pulsarami”.
A teraz, 50 lat po ich odkryciu przez brytyjską astrofizykę Jocelyn Bell, pierwsza misja poświęcona badaniu tych obiektów ma się wkrótce rozpocząć. Jest znany jako Eksplorator składu wnętrza gwiazdy Neutron (NICER), dwuczęściowy eksperyment, który tego lata zostanie wdrożony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, platforma ta rzuci światło na jedną z największych tajemnic astronomicznych i przetestuje nowe technologie.
Astronomowie badają gwiazdy neutronowe od prawie wieku, które dały bardzo dokładne pomiary ich mas i promieni. Jednak to, co faktycznie dzieje się we wnętrzu gwiazdy neutronowej, pozostaje niezmienną tajemnicą. Chociaż opracowano wiele modeli opisujących fizykę rządzącą ich wnętrzami, nadal nie jest jasne, jak zachowa się materia w tego rodzaju warunkach.
Nic dziwnego, ponieważ gwiazdy neutronowe zwykle utrzymują około 1,4 razy masę naszego Słońca (lub 460 000 razy masę Ziemi) w przestrzeni kosmicznej wielkości miasta. Tego rodzaju sytuacja, w której znaczna ilość materii jest upakowana w bardzo małej objętości - co powoduje zgniatanie grawitacji i niewiarygodną gęstość materii - nie występuje nigdzie indziej we Wszechświecie.
Jak Keith Gendreau, naukowiec z Goddard Space Flight Center NASA, wyjaśnił w niedawnym oświadczeniu prasowym NASA:
„Natura materii w tych warunkach jest od dziesięcioleci nierozwiązanym problemem. Teoria rozwinęła wiele modeli opisujących fizykę rządzącą wnętrzami gwiazd neutronowych. Dzięki NICER możemy w końcu przetestować te teorie precyzyjnymi obserwacjami. ”
NICE został opracowany przez Goddard Space Flight Center NASA przy wsparciu Massachusetts Institute of Technology (MIT), Naval Research Laboratory oraz uniwersytetów w USA i Kanadzie. Składa się z urządzenia wielkości lodówki, które zawiera 56 teleskopów rentgenowskich i detektorów krzemowych. Chociaż pierwotnie planowano go wdrożyć pod koniec 2016 r., Okno uruchamiania pojawiło się dopiero w tym roku.
Po zainstalowaniu jako zewnętrzny ładunek na pokładzie ISS będzie zbierał dane o gwiazdach neutronowych (głównie pulsarach) w okresie 18 miesięcy, obserwując gwiazdy neutronowe w paśmie rentgenowskim. Mimo że gwiazdy te emitują promieniowanie w całym spektrum, obserwacje rentgenowskie są uważane za najbardziej obiecujące, jeśli chodzi o ujawnienie rzeczy o ich strukturze i związanych z nimi różnych zjawiskach wysokoenergetycznych.
Należą do nich trzęsienia gwiazd, wybuchy termojądrowe i najpotężniejsze pola magnetyczne znane we Wszechświecie. Aby to zrobić, NICER zgromadzi promienie X generowane z pól magnetycznych i biegunów magnetycznych tych gwiazd. Jest to kluczowe, ponieważ siła pól magnetycznych gwiazdy neutronowej powoduje, że cząstki są uwięzione i spadają na powierzchnię, co powoduje promieniowanie rentgenowskie.
W pulsarach te intensywne pola magnetyczne powodują, że cząstki energetyczne stają się skupionymi wiązkami promieniowania. Te wiązki nadają pulsarom swoją nazwę, ponieważ dzięki obrotowi gwiazdy wyglądają jak błyskawice (nadając im wygląd przypominający latarnię morską). Jak zauważyli fizycy, pulsacje te są przewidywalne i dlatego mogą być używane w taki sam sposób, jak zegary atomowe i globalny system pozycjonowania są tutaj na Ziemi.
Chociaż głównym celem NICER jest nauka, oferuje on także możliwość testowania nowych form technologii. Na przykład przyrząd zostanie wykorzystany do przeprowadzenia pierwszej w historii demonstracji autonomicznej nawigacji opartej na pulsarach rentgenowskich. W ramach eksploratora stacji dla technologii pomiaru czasu i nawigacji rentgenowskiej (SEXTANT) zespół użyje teleskopów NICER do wykrywania wiązek promieni rentgenowskich generowanych przez pulsary w celu oszacowania czasów przybycia ich pulsów.
Zespół użyje specjalnie zaprojektowanych algorytmów do stworzenia rozwiązania nawigacyjnego na pokładzie. W przyszłości międzygwiezdne statki kosmiczne mogłyby teoretycznie polegać na tym, aby samodzielnie obliczać swoją lokalizację. To pozwala im znaleźć drogę w kosmosie bez konieczności polegania na sieci NASA Deep Space Network (DSN), która jest uważana za najbardziej wrażliwy system telekomunikacyjny na świecie.
Poza nawigacją projekt NICER ma również nadzieję na przeprowadzenie pierwszego w historii testu rentowności komunikacji opartej na promieniowaniu rentgenowskim (XCOM). Wykorzystując promieniowanie rentgenowskie do wysyłania i odbierania danych (w taki sam sposób, w jaki obecnie używamy fal radiowych), statek kosmiczny może przesyłać dane z prędkością gigabitów na sekundę na odległości międzyplanetarne. Taka pojemność może zrewolucjonizować sposób, w jaki komunikujemy się z załogami, łazikiem i orbiterami.
Centralnym punktem obu demonstracji jest modulowane źródło promieniowania rentgenowskiego (MXS), które zespół NICER opracował w celu skalibrowania detektorów ładunku i przetestowania algorytmów nawigacyjnych. Generując promieniowanie rentgenowskie o szybko zmieniającej się intensywności (włączając i wyłączając wiele razy na sekundę), urządzenie to będzie symulować pulsacje gwiazdy neutronowej. Jak wyjaśnił Gendreau:
„To bardzo interesujący eksperyment, który przeprowadzamy na stacji kosmicznej. Mieliśmy ogromne wsparcie ze strony naukowców i technologii kosmicznej w siedzibie głównej NASA. Pomogli nam rozwinąć technologie umożliwiające NICER, a także te, które zademonstruje NICER. Misja przeciera szlaki na kilku różnych poziomach. ”
Mamy nadzieję, że MXS będzie gotowy do wysyłki na stację w przyszłym roku; w tym czasie mogą rozpocząć się pokazy nawigacji i komunikacji. Oczekuje się, że przed 25 lipca, który przypada 50. rocznica odkrycia Bella, zespół zgromadzi wystarczającą ilość danych, aby zaprezentować wyniki na konferencjach naukowych zaplanowanych na koniec tego roku.
Jeśli odniesie sukces, NICER może zrewolucjonizować nasze rozumienie tego, jak zachowują się gwiazdy neutronowe (i jak materia zachowuje się w stanie super-gęstym). Ta wiedza może nam również pomóc zrozumieć inne kosmologiczne tajemnice, takie jak czarne dziury. Ponadto komunikacja i nawigacja rentgenowska mogą zrewolucjonizować eksplorację kosmosu i podróżowanie, jakie znamy. Oprócz zapewnienia większych zysków z robotycznych misji zlokalizowanych bliżej domu, może również umożliwić bardziej intratne misje w lokalizacjach w zewnętrznym Układzie Słonecznym, a nawet poza nimi.
