Korkean energian fotonin matkustaminen lähimmästä neutronitähdistä Maahan kestää 512 vuotta. Vain muutama heistä tekee matkan. Mutta heillä on tarvittavat tiedot ratkaista yksi astrofysiikan vaikeimmista kysymyksistä.
Fotonit ampuvat avaruuteen energisessä kiireessä. Kuumat röntgenenergian säteet puhkesivat pienen, ultradensoisen, pyörivän supernoovan jäännöksen pinnalta. Palkit leviävät pitkien vuosisatojen ajan kulkiessaan. Mutta joka kerta, yksi röntgenvalopiste, joka on kulkenut 157 parsakkaa (512 valovuotta) avaruuden läpi - 32 miljoonaa kertaa maan ja auringon välinen etäisyys - viettää itsensä kansainvälisen avaruusaseman (ISS) X: lle. -sarja teleskooppi, lempinimenä NICER. Sitten, maan päällä, tekstitiedosto syöttää uuden datapisteen: fotonin energia ja sen saapumisaika mikrosekunnin tarkkuudella mitattuna.
Tämä datapiste ja lukemattomat muut, kuten kuukausien aikana kerätyt, vastaavat peruskysymykseen heti kesällä 2018: Kuinka leveä on J0437-4715, Maan lähin neutronitähtinaapuri?
Jos tutkijat pystyvät selvittämään neutronitähtien leveyden, fyysikko Sharon Morsink kertoi joukolle tutkijoita American Physical Society (APS) -konferenssissa huhtikuussa 2018 pidetyssä kokouksessa, että tieto voisi osoittaa tietä hiukkasfysiikan suurimman mysteerin ratkaisemiseen: Kuinka käyttäytyykö asia, kun se työnnetään sen villeimpiin ääriöihin?
Maapallolla, ottaen huomioon ihmiskunnan nykyisen tekniikan, on joitain kovia rajoituksia siitä, kuinka tiheää ainetta voi saada, jopa äärimmäisissä laboratorioissa, ja vielä tiukempia rajoja siihen, kuinka kauan tiiviimmän aineen tutkijat voivat selviytyä. Se tarkoitti, että fyysikot eivät ole pystyneet selvittämään kuinka hiukkaset käyttäytyvät äärimmäisissä tiheyksissä. Hyviä kokeiluja ei vain ole saatavilla.
"On olemassa joukko erilaisia menetelmiä, joiden avulla ihmiset yrittävät sanoa, kuinka supertiheän aineen tulisi toimia, mutta ne eivät ole kaikki samaa mieltä", Morsink, Alberta-yliopiston fyysikko ja NASA-työryhmän jäsen. keskittynyt neutronitähtien leveyteen, kertoi Live Science. "Ja tapa, josta he kaikki eivät ole yhtä mieltä, voidaan todella testata, koska jokainen heistä antaa ennusteen, kuinka suuri neutronitähti voi olla."
Toisin sanoen ratkaisu ultradense-aineen mysteeriin lukittuu eräiden maailmankaikkeuden tiiviimpien esineiden - neutronitähteiden - sisälle. Ja tutkijat voivat murtaa tämän mysteerin heti, kun he mittaavat tarkasti, kuinka leveät (ja siksi tiheät) neutronitähdet todella ovat.
Hiukkasfysiikka syvässä tilassa
"Neutronitähdet ovat törkeimpiä esineitä, joista suurin osa ihmisistä ei ole koskaan kuullut", NASA: n tutkija Zaven Arzoumanian kertoi fyysikoille Ohiossa Columbuksessa pidetyssä kokouksessa.
Arzoumanian on yksi NASA: n Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) -projektin johtajista, joka muodostaa teknisen perustan Morsinkin työlle. NICER on iso kääntyvä teleskooppi, joka on asennettu ISS: ään; se tarkkailee ja tarkkaan kertaa röntgensäteitä, jotka saapuvat matalan maan kiertoradan alueelle syvästä avaruudesta.
Neutronitähti on ydin, joka on jätetty jälkeen massiivisesta supernova-räjähdyksestä, mutta sen uskotaan olevan ei paljon laajempi kuin keskikokoinen kaupunki. Neutronitähdet voivat pyöriä valon nopeuden murto-osissa, amputtaen aallonräpähtäviä röntgensäteen säteitä entistä tarkemmin ajoituksella kuin atomikellojen tikkaus.
Ja mikä tärkeintä Morsinkin ja hänen kollegoidensa tarkoituksissa, neutronitähdet ovat maailmankaikkeuden tiheimmin tunnettuja esineitä, jotka eivät ole romahtaneet mustiksi reikiksi - mutta toisin kuin mustien reikien kanssa, tutkijoiden on mahdollista selvittää, mikä niiden sisällä tapahtuu. Tähtitieteilijöiden on vain tiedettävä tarkkaan, kuinka leveät neutronitähdet todella ovat, ja NICER on väline, jonka pitäisi lopulta vastata tähän kysymykseen.
Kvarkkikeitto
Tutkijat eivät tiedä tarkalleen, kuinka aine käyttäytyy neutronitähteen äärimmäisessä ytimessä, mutta he ymmärtävät tarpeeksi tietääkseen, että se on hyvin outoa.
Edinburghin yliopiston hiukkasfyysikko Daniel Watts kertoi APS-konferenssissa erilliselle yleisölle, että neutronitähden sisustus on pohjimmiltaan suuri iso kysymysmerkki.
Tutkijoilla on joitain erinomaisia mittauksia neutronitähtien massoista. Esimerkiksi J0437-4715: n massa on noin 1,44-kertainen auringon massaan huolimatta, että se on enemmän tai vähemmän ala-Manhattanin kokoinen. Tämä tarkoittaa Morsinkin mukaan, että J0437-4715 on paljon tiheämpi kuin atomin ydin - ylivoimaisesti tihein esine, jonka tutkijat kohtaavat maan päällä, missä valtaosa atomin aineesta kerääntyy vain pieneen piikkiin sen keskelle.
Tällä tiheysasteella, Watts selitti, ei ole ollenkaan selvää, kuinka aine käyttäytyy. Kvarkeja, pieniä hiukkasia, jotka muodostavat neutroneja ja protoneja, jotka muodostavat atomeja, ei voi olla vapaasti yksinään. Mutta kun aine saavuttaa äärimmäisen tiheyden, kvarkit voivat pitää sitoutumisen hiukkasiin, jotka ovat samanlaisia kuin maapallolla, tai muodostaa suurempia, monimutkaisempia hiukkasia tai ehkä sieniä kokonaan yleisemmäksi hiukkaskeittoksi.
Watts kertoi Live Sciencelle, mitä tutkijat tietävät, että yksityiskohdat siitä, kuinka aine käyttäytyy äärimmäisissä tiheyksissä, määrää sen, kuinka leveät neutronitähdet todella saavat. Joten jos tutkijat voivat keksiä tarkkoja mittauksia neutronitähteistä, he voivat kaventaa mahdollisuuksia, kuinka aine käyttäytyy näissä ääriolosuhteissa.
Ja vastaamalla tähän kysymykseen, Watts sanoi, voisi avata vastaukset kaikenlaisiin hiukkasfysiikan salaisuuksiin, joilla ei ole mitään tekemistä neutronitähteiden kanssa. Hän sanoi, että se voisi esimerkiksi auttaa vastaamaan siihen, kuinka yksittäiset neutronit järjestäytyvät erittäin raskaiden atomien ytimiin.
NICER-mittaukset vievät aikaa
Useimpien neutronitähtien, Morsinkin mukaan, uskotaan olevan noin 20 - 28 kilometrin (12 - 17 mailin) leveitä, vaikkakin ne saattavat olla yhtä kapeita kuin 10 mailia (16 km). Se on erittäin kapea tähtitieteen alue, mutta ei riittävän tarkka vastaamaan sellaisiin kysymyksiin, joista Morsink ja hänen kollegansa ovat kiinnostuneita.
Morsink ja hänen kollegansa tutkivat vielä tarkempia vastauksia kohti röntgensäteitä, jotka tulevat nopeasti pyörivistä "kuormituspisteistä" neutronitähteillä.
Vaikka neutronitähdet ovat uskomattoman pienikokoisia, niiden magneettikentät aiheuttavat niiden pinnalta tulevan energian olevan melko epätasaista. Niiden pinnoille muodostuu kirkkaita laikkuja, jotka piiskaavat ympyröinä tähtien kääntyessä monta kertaa sekunnissa.
NICER tulee sinne. NICER on iso, kääntyvä teleskooppi, joka on kiinnitetty ISS: ään ja joka pystyy hämmästyttävän säännöllisesti aikaansaamaan näistä laastarista tulevan valon.
Tämän avulla Morsink ja hänen kollegansa voivat tutkia kahta asiaa, jotka molemmat voivat auttaa heitä selvittämään neutronitähden säteen:
1. Pyörimisnopeus: Kun neutronitähti pyörii, Morsink sanoi, sen pinnan kirkas piste kiihtyy kohti maata ja poispäin melkein kuin majakan kääntyvien kehien palkki. Morsink ja hänen kollegansa voivat tutkia tarkkaan NICER-tietoja saadakseen selville, kuinka monta kertaa tähti välähtää joka hetki ja kuinka nopeasti kirkas kohta liikkuu avaruuden läpi. Ja kirkkaan pisteen liikkeen nopeus on tähtien pyörimisnopeuden ja säteen funktio. Jos tutkijat pystyvät selvittämään pyörimisen ja nopeuden, säde on suhteellisen helppo määrittää.
2. Kevyt taivutus: Neutronitähdet ovat niin tiheitä, että NICER pystyy havaitsemaan fotonit tähden kirkkaasta pisteestä, joka ampui avaruuteen, kun piste osoitettiin poispäin maasta. Neutronitähden painovoimakaivo voi taivuttaa valoa niin jyrkästi, että sen fotonit kääntyvät kohti ja hankautuvat NICER-anturiin. Valon kaarevuus on myös tähden säteen ja sen massan funktio. Joten tutkimalla huolellisesti, kuinka suuri tähti, jolla on tunnettu massa, kaareu, Morsink ja hänen kollegansa voivat selvittää tähden säteen.
Ja tutkijat ovat lähellä ilmoittamassa tuloksia, Morsink sanoi. (Useat fyysikot hänen APS-puheessaan ilmaisivat lievän pettymyksen siitä, että hän ei ollut ilmoittanut tiettyä numeroa, ja innostusta siitä, että se oli tulossa.)
Morsink kertoi Live Sciencelle, ettei hän yrittänyt kiusata tulevaa ilmoitusta. NICER ei vain ole vielä kerännyt tarpeeksi fotoneja, jotta joukkue voisi tarjota hyvän vastauksen.
"Se on kuin kakun ottaminen uunista liian aikaisin: Sinulla on vain sotku", hän sanoi.
Mutta fotonit saapuvat yksitellen NICERin kuukausien jaksollisen tutkimuksen aikana. Ja vastaus on tulossa lähelle. Tällä hetkellä joukkue etsii tietoja J0437-4715: stä ja Maan seuraavasta lähimmästä neutronitähdistä, joka on noin kaksi kertaa kauempana.
Morsink sanoi, että hän ei ole varma, minkä neutronitähden säteen hän ja hänen kollegansa julkaisevat ensin, mutta hän lisäsi, että molemmat ilmoitukset tulevat kuukausien sisällä.
"Tavoitteena on, että tämä tapahtuu myöhemmin kesällä, jolloin 'kesää' käytetään melko laajassa merkityksessä", hän sanoi. "Mutta sanoisin, että syyskuuhun mennessä meillä pitäisi olla jotain."
