Przemieszczenie fotonu o wysokiej energii z najbliższej gwiazdy neutronowej na Ziemię zajmuje 512 lat. Tylko kilka z nich udaje się w podróż. Ale niosą informacje niezbędne do rozwiązania jednego z najtrudniejszych pytań w astrofizyce.
Fotony wystrzeliwują w przestrzeń w energicznym pędzie. Gorące wiązki energii promieni rentgenowskich tryskają z powierzchni maleńkiej, ultracienkiej, wirującej pozostałości supernowej. Wiązki rozpraszają się przez długie wieki w transporcie. Ale od czasu do czasu pojedyncza kropka światła rentgenowskiego, która przebyła w przestrzeni 157 parseków (512 lat świetlnych) - 32 miliony razy więcej niż Ziemia i Słońce - eksponuje się przeciwko X Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) X -ray teleskop, nazywany NICER. Następnie, na Ziemi, plik tekstowy wchodzi do nowego punktu danych: energii fotonu i czasu jego przybycia, mierzonego z mikrosekundową dokładnością.
Ten punkt danych, wraz z niezliczoną liczbą innych, zebranych w ciągu miesięcy, odpowie na podstawowe pytanie już w lecie 2018 roku: jak szeroka jest J0437-4715, najbliższy sąsiad z gwiazdą neutronową na Ziemi?
Jeśli badacze potrafią ustalić szerokość gwiazdy neutronowej, fizyk Sharon Morsink powiedział tłumowi naukowców na spotkaniu American Physical Society (APS) w kwietniu 2018 r., Że informacja ta może wskazać drogę do rozwiązania jednej z wielkich tajemnic fizyki cząstek: jak czy materia zachowuje się, gdy zostanie popchnięta do najdzikszych granic?
Na Ziemi, biorąc pod uwagę istniejącą technologię ludzkości, istnieją pewne twarde ograniczenia dotyczące gęstości gęstej materii, nawet w ekstremalnych laboratoriach, a jeszcze trudniejsze ograniczenia dotyczące długości przeżycia najgęstszej materii przez naukowców. Oznacza to, że fizycy nie byli w stanie dowiedzieć się, jak zachowują się cząstki przy ekstremalnych gęstościach. Po prostu nie ma wielu dobrych eksperymentów.
„Istnieje wiele różnych metodologii, które ludzie wymyślają, aby powiedzieć, jak powinna zachowywać się bardzo gęsta materia, ale nie wszyscy się z tym zgadzają”, Morsink, fizyk z University of Alberta i członek grupy roboczej NASA skupił się na szerokości gwiazd neutronowych, powiedział Live Science. „I sposób, w jaki nie wszyscy się zgadzają, można faktycznie przetestować, ponieważ każdy z nich przewiduje, jak duża może być gwiazda neutronowa”.
Innymi słowy, rozwiązanie tajemnicy ultradęstej materii jest zamknięte w niektórych najgęstszych obiektach wszechświata - gwiazdach neutronowych. A naukowcy mogą złamać tę tajemnicę, gdy tylko dokładnie zmierzą, jak naprawdę szerokie (a zatem i gęste) gwiazdy neutronowe są naprawdę.
Fizyka cząstek w kosmosie
„Gwiazdy neutronowe są najbardziej oburzającymi obiektami, o których większość ludzi nigdy nie słyszała” - powiedział fizykowi NASA Zaven Arzoumanian podczas spotkania w Columbus w Ohio.
Arzoumanian jest jednym z szefów projektu NASA Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), który stanowi techniczną podstawę pracy Morsinka. NICER to duży, obrotowy teleskop zamontowany na ISS; monitoruje i precyzyjnie mierzy promieniowanie rentgenowskie docierające w rejon niskiej orbity Ziemi z kosmosu.
Gwiazda neutronowa to jądro pozostawione po masowej eksplozji supernowej, ale uważa się, że nie jest dużo szersze niż miasto średniej wielkości. Gwiazdy neutronowe mogą wirować z dużymi ułamkami prędkości światła, wystrzeliwując migotliwe wiązki energii promieniowania rentgenowskiego w przestrzeń kosmiczną z dokładniejszym taktowaniem niż tykanie zegarów atomowych.
Co najważniejsze dla celów Morsinka i jej współpracowników, gwiazdy neutronowe są najgęstszymi znanymi obiektami we wszechświecie, które nie zapadły się w czarne dziury - ale w przeciwieństwie do czarnych dziur naukowcy mogą dowiedzieć się, co się w nich dzieje. Astronomowie muszą dokładnie wiedzieć, jak naprawdę szerokie są gwiazdy neutronowe, a NICER jest instrumentem, który powinien w końcu odpowiedzieć na to pytanie.
Zupa Kwarkowa
Naukowcy nie wiedzą dokładnie, jak zachowuje się materia w ekstremalnym jądrze gwiazdy neutronowej, ale rozumieją wystarczająco dużo, aby wiedzieć, że to bardzo dziwne.
Daniel Watts, fizyk cząstek na Uniwersytecie w Edynburgu, powiedział odrębnej publiczności na konferencji APS, że wnętrze gwiazdy neutronowej jest zasadniczo wielkim znakiem zapytania.
Naukowcy mają doskonałe pomiary mas gwiazd neutronowych. Na przykład masa J0437-4715 jest około 1,44 razy większa niż Słońce, mimo że jest mniej więcej wielkości Dolnego Manhattanu. Oznacza to, jak powiedział Morsink, że J0437-4715 jest znacznie gęstszy niż jądro atomu - zdecydowanie najgęstszy obiekt, jaki spotykają naukowcy na Ziemi, gdzie ogromna większość materii atomu gromadzi się w niewielkiej drobinie w centrum.
Na tym poziomie gęstości, wyjaśnił Watts, wcale nie jest jasne, jak zachowuje się materia. Kwarki, małe cząsteczki tworzące neutrony i protony, które tworzą atomy, nie mogą same istnieć swobodnie. Ale kiedy materia osiąga ekstremalną gęstość, kwarki mogą nadal wiązać się w cząstki podobne do tych na Ziemi lub tworzyć większe, bardziej złożone cząstki, lub być może zmieszać całkowicie w bardziej uogólnioną zupę cząstek.
Watts powiedział Live Science, że naukowcy wiedzą, że szczegóły tego, jak zachowuje się materia w ekstremalnych gęstościach, określą, w jaki sposób faktycznie osiągają szerokie gwiazdy neutronowe. Jeśli więc naukowcy potrafią opracować precyzyjne pomiary gwiazd neutronowych, mogą zawęzić zakres możliwości zachowania się materii w tych ekstremalnych warunkach.
Odpowiadając na to pytanie, Watts powiedział, może odblokować odpowiedzi na wszelkiego rodzaju tajemnice fizyki cząstek, które nie mają nic wspólnego z gwiazdami neutronowymi. Na przykład, powiedział, może pomóc w odpowiedzi na to, jak poszczególne neutrony układają się w jądrach bardzo ciężkich atomów.
Pomiary NICER wymagają czasu
Uważa się, że większość gwiazd neutronowych ma szerokość od około 12 do 17 mil (20 i 28 kilometrów), chociaż może być tak wąska, jak 10 mil (16 km). To bardzo wąski zakres z astronomii, ale nie dość precyzyjny, aby odpowiedzieć na pytania, którymi interesuje się Morsink i jej koledzy.
Aby dążyć do jeszcze bardziej precyzyjnych odpowiedzi, Morsink i jej koledzy badają promieniowanie rentgenowskie pochodzące z szybko wirujących „gorących punktów” na gwiazdach neutronowych.
Chociaż gwiazdy neutronowe są niezwykle zwartymi kulkami, ich pola magnetyczne powodują, że energia wychodząca z ich powierzchni jest dość nierównomierna. Na ich powierzchni tworzą się jasne plamy i grzyby, wirują w kółko, gdy gwiazdy obracają się wiele razy na sekundę.
Właśnie tam wkracza NICER. NICER jest dużym, obrotowym teleskopem zamontowanym na ISS, który może z niezwykłą regularnością mierzyć czas światła pochodzącego z tych łat.
Dzięki temu Morsink i jej koledzy badają dwie rzeczy, z których obie mogą pomóc im ustalić promień gwiazdy neutronowej:
1. Prędkość obrotu: Kiedy gwiazda neutronowa wiruje, powiedział Morsink, jasny punkt na jej powierzchni mruga w kierunku Ziemi i od niej, prawie jak promień z latarni morskiej. Morsink i jej koledzy mogą dokładnie przestudiować dane NICER, aby ustalić, ile razy gwiazda mruga w każdej chwili, i dokładnie, jak szybko jasny punkt porusza się w przestrzeni. A prędkość ruchu jasnego punktu jest funkcją prędkości obrotu gwiazdy i jej promienia. Jeśli badacze potrafią ustalić obrót i prędkość, promień jest stosunkowo łatwy do ustalenia.
2. Lekkie gięcie: Gwiazdy neutronowe są tak gęste, że NICER może wykryć fotony z jasnego punktu gwiazdy, który wystrzelił w kosmos, gdy punkt był skierowany z dala od Ziemi. Studnia grawitacyjna gwiazdy neutronowej może tak gwałtownie zginać światło, że jej fotony obracają się w kierunku i uderzają w czujnik NICER. Szybkość krzywizny światła jest również funkcją promienia gwiazdy i jej masy. Tak więc, uważnie badając, ile światła o znanej masie zakrzywia światło, Morsink i jej koledzy mogą ustalić promień gwiazdy.
A naukowcy są bliscy ogłoszenia swoich wyników, powiedział Morsink. (Kilku fizyków podczas swojego przemówienia na temat APS wyraziło lekkie rozczarowanie, że nie ogłosiła określonej liczby, i podekscytowanie, że się zbliża).
Morsink powiedziała Live Science, że nie próbuje drażnić nadchodzącego ogłoszenia. NICER po prostu nie zebrał jeszcze wystarczającej liczby fotonów, aby zespół mógł udzielić dobrej odpowiedzi.
„To tak, jakby zbyt wcześnie wyjmować ciasto z piekarnika: po prostu bałagan” - powiedziała.
Ale fotony przybywają jeden po drugim w trakcie okresowych badań NICER. I odpowiedź się zbliża. Obecnie zespół analizuje dane z J0437-4715 i najbliższej Ziemi gwiazdy neutronowej, która jest około dwa razy dalej.
Morsink powiedziała, że nie jest pewna, jaki promień gwiazdy neutronowej opublikuje jako pierwsza, i koledzy, ale dodała, że oba ogłoszenia nadejdą w ciągu kilku miesięcy.
„Celem jest, aby stało się to później tego lata, kiedy„ lato ”jest używane w dość szerokim znaczeniu”, powiedziała. „Ale powiedziałbym, że do września powinniśmy coś mieć”.
