512 évbe telik, amíg egy nagy energiájú foton eljut a legközelebbi neutroncsillagról a Földre. Csak néhányan utaznak. De ők tartalmazzák az asztrofizika egyik legnehezebb kérdésének megoldásához szükséges információkat.
A fotonok energiával rohannak az űrbe. A röntgenenergia forró sugarai robbantanak fel a szupernóva apró, ultrahangos, forgó maradványából. A gerendák áthaladva hosszú évszázadokon át szétszóródnak. De időnként egy-egy olyan röntgenfény, amely 157 parszek (512 fényév) áthaladását hajtja végre az űrben - a Föld és a Nap közötti távolság 32 millió-szorosa - költi a Nemzetközi Űrállomás (ISS) X ellen. -fényes távcső, beceneve NICER. Ezután a földön egy szövegfájl új adatpontot vezet be: a foton energiáját és érkezési idejét, mikrosekundum pontossággal mérve.
Ez az adatpont - számtalan mással együtt, ahogyan azt a hónapok során összegyűjtötték - 2018 nyarán válaszol egy alapkérdésre: Mennyire széles a J0437-4715, a Föld legközelebbi neutroncsillag szomszéda?
Ha a kutatók kitalálhatják a neutroncsillag szélességét, akkor Sharon Morsink fizikus azt mondta az amerikai fizikai társaság (APS) 2018. áprilisában tartott ülésén a tudósok tömegének, hogy ez az információ megmutathatja az utat a részecskefizika egyik nagy rejtélyének megoldása felé: Hogyan viselkedik-e az anyag a legvadabb szélsõségeire?
A Földön, tekintettel az emberiség meglévő technológiájára, vannak bizonyos korlátok arra, hogy a sűrű anyag hogyan juthat be, még a szélsőséges laboratóriumokban is, és még ennél is szigorúbb határok annak, hogy a tudósok által elkészített legszorosabb anyag milyen hosszú ideig képes túlélni. Ez azt jelentette, hogy a fizikusok nem tudták kitalálni, hogyan viselkednek a részecskék a szélsőséges sűrűségnél. Csak kevés jó kísérlet érhető el.
"Számos különféle módszertan létezik, amelyekkel az emberek megpróbálják mondani, hogy a szuper-sűrű anyagnak hogyan kell viselkednie, de nem mindannyian egyetértenek egymással." Morsink, az Alberta Egyetem fizikusa és a NASA munkacsoportjának tagja. a neutroncsillagok szélességére összpontosítva - mondta a Live Science. "És azt a módot, amelyben nem mindenki egyetért, valójában tesztelni lehet, mert mindegyik megjósolja, hogy mekkora lehet egy neutroncsillag."
Más szavakkal, az ultrazáró anyag rejtélyének megoldása az univerzum némelyik sűrűbb objektumában - a neutroncsillagokban - rejlik. És a tudósok feltörhetik ezt a rejtélyt, amint pontosan megmérik, milyen széles (és ennélfogva sűrű) neutroncsillagok valójában.
Részecskefizika a mély űrben
"A neutroncsillagok a leginkább felháborító tárgyak, amelyekről a legtöbb ember még soha nem hallott" - mondta a NASA tudósa, Zaven Arzoumanian a fizikusoknak az ohiói Columbusban tartott ülésen.
Arzoumanian a NASA neutroncsillagos belső összetétel-felfedező (NICER) projekt egyik vezetője, amely Morsink munkájának műszaki alapját képezi. A NICER egy nagy, elforgatható távcső, amely az ISS-re van felszerelve; figyelemmel kíséri és pontosan megmérja azokat a röntgenképeket, amelyek a mély űrből érkeznek az alacsony földi pályára.
Egy hatalmas szupernóva robbanás után egy neutroncsillag maradt el, ám azt gondolják, hogy nem sokkal szélesebb, mint egy közepes méretű város. A neutroncsillagok a fénysebesség nagy frakcióiban foroghatnak, és röntgenenergia villogó sugarai az űrbe pontosabb időzítéssel lőhetnek az atomórák ketyegésével.
És ami a legfontosabb Morsink és munkatársai szempontjából, a neutroncsillagok az univerzum legsűrűbb ismert tárgyai, amelyek nem estek fekete lyukakba - de a fekete lyukakkal ellentétben a tudósok kitalálhatják, mi történik velük. A csillagászoknak csak pontosan tudniuk kell, hogy a neutroncsillagok valójában milyen széles, és a NICER az az eszköz, amely végül megválaszolja ezt a kérdést.
Quark leves
A tudósok nem tudják pontosan, hogyan viselkedik az anyag a neutroncsillagok szélsőséges magjában, de elég jól megértik, hogy tudják, hogy ez nagyon furcsa.
Daniel Watts, az Edinburgh-i Egyetem részecskefizikája az APS konferencián külön közönségnek mondta, hogy a neutroncsillagok belső része lényegében nagy kérdőjel.
A tudósok kiválóan mérik a neutroncsillagok tömegét. A J0437-4715 tömege például körülbelül 1,44-szerese a nap tömegének, annak ellenére, hogy többé-kevésbé alsó Manhattan méretű. Ez azt jelenti, Morsink szerint, hogy a J0437-4715 sokkal sűrűbb, mint egy atommag - messze a legszorosabb tárgy, amellyel a tudósok találkoznak a Földön, ahol az atom anyagának nagy többsége csak egy apró foltban gyűlik össze a közepén.
A sűrűség ezen szintjén - magyarázta Watts - egyáltalán nem világos, hogy az anyag hogyan viselkedik. A kvarkok, az apró részecskék, amelyek alkotják az atomokat alkotó neutronokat és protonokat, önmagukban nem létezhetnek szabadon. De amikor az anyag eléri a szélsőséges sűrűséget, a kvarkok tovább tudnak kötődni a földi részecskékhez hasonló részecskékhöz, vagy nagyobb, összetettebb részecskéket képezhetnek, vagy esetleg teljesen elágazhatnak egy általánosabb részecskelevesré.
Amit a tudósok tudnak - mondta Watts a Live Science-nek - az, hogy az anyag viselkedése a szélsőséges sűrűségnél hogyan határozza meg, milyen széles lesz a neutroncsillag valójában. Tehát ha a tudósok elő tudják állítani a neutroncsillagok pontos mérését, szűkíthetik annak lehetőségeit, hogy az anyag hogyan viselkedjen e szélsőséges körülmények között.
És válaszolva arra a kérdésre, Watts elmondta, hogy kinyithatja a válaszokat mindenféle részecskefizikai rejtélyre, amelyeknek semmi köze nincs a neutroncsillagokhoz. Például, azt mondta, ez segíthet megválaszolni, hogy az egyes neutronok hogyan rendeződnek a nagyon nehéz atomok magjában.
A NICER mérések időbe telik
A legtöbb neutroncsillag - mondja Morsink - úgy gondolja, hogy kb. 12 és 17 mérföld (20 és 28 kilométer) közötti szélességűek, bár lehet, hogy keskenyek is, mint 10 mérföld (16 km). A csillagászat szempontjából ez nagyon szűk tartomány, de nem elég pontos ahhoz, hogy megválaszolja a Morsink és kollégái érdeklődésének kérdéseit.
A még pontosabb válaszok elérése érdekében Morsink és munkatársai a neutroncsillagokon gyorsan forogó „hotspotokból” származó röntgenfelvételeket tanulmányozzák.
Noha a neutroncsillagok hihetetlenül kompakt gömbök, mágneses tereik miatt a felületükről érkező energia meglehetősen egyenetlen. Világos foltok formálódnak és gombafélék a felületükön, körbefordulva, miközben a csillagok másodpercenként többször forognak.
A NICER jön ide. A NICER egy nagy, elforgatható teleszkóp, amely az ISS-re van felszerelve, és hihetetlen rendszerességgel képes a foltokból származó fényre gerjeszteni.
Ez lehetővé teszi Morsinknek és kollégáinak, hogy két dolgot tanulmányozzanak, amelyek mindegyike segíthet nekik megismerni egy neutroncsillag sugarat:
1. Forgási sebesség: Amikor a neutroncsillag forog, mondta Morsink, a felületén lévő fényes folt a Föld felé fordul és felé fordul, majdnem olyan, mint a világítótorony körét képező sugár. Morsink és kollégái gondosan megvizsgálhatják a NICER adatait, hogy meghatározzák, pontosan hányszor pislog a csillag minden pillanatban, és hogy a fényes folt milyen gyorsan mozog az űrben. A fényes folt mozgásának sebessége a csillag forgási sebességének és sugárának függvénye. Ha a kutatók kitalálják a forgást és a sebességet, a sugarat viszonylag könnyű meghatározni.
2. Könnyű hajlítás: A neutroncsillagok annyira sűrűek, hogy a NICER képes észlelni a csillag fényes pontján található fotonokat, amelyek az űrbe rohantak, miközben a folt a Földtől távol volt. A neutron csillag gravitációs kútja olyan erősen képes meghajlítani a fényt, hogy fotonjai felé fordulnak, és a NICER érzékelőjévé válnak. A fénygörbület sebessége a csillag sugárának és tömegének függvénye. Tehát, Morsink és munkatársai, alaposan megvizsgálva, hogy egy ismert tömegű csillag mennyire világít, meg tudja határozni a csillag sugarat.
És a kutatók közel állnak az eredmények közzétételéhez - mondta Morsink. (Az APS-beszélgetés során számos fizikus enyhe csalódást fejezett ki amiatt, hogy nem jelentett be konkrét számot, és izgalmát, hogy ez jön.)
Morsink azt mondta a Live Science-nek, hogy nem próbálta ugratni a közelgő bejelentést. A NICER még nem gyűjtött elegendő fotont a csapat számára, hogy jó választ adjon.
"Olyan, mintha túl korán kivenné a sütőt a sütőből: Csak rendetlenséggel kell számolnod" - mondta.
De a fotonok egyenként érkeznek meg a NICER hónapos periódusos tanulmányai során. És a válasz egyre közelebb kerül. Jelenleg a csapat a J0437-4715 és a Föld legközelebbi legközelebbi neutroncsillagának adatait keresi, amely körülbelül kétszer olyan messze van.
Morsink azt mondta, hogy nem biztos abban, melyik neutroncsillagot sugározza meg először és kollégái, de hozzátette, hogy mindkét bejelentés hónapon belül meg fog jelenni.
"A cél az, hogy ez később megtörténjen ezen a nyáron, ahol a" nyár "meglehetősen tág értelemben szerepel" - mondta. "De azt mondanám, hogy szeptemberre kellett volna valamit."
