512 let traja, da visokoenergijski foton potuje od najbližje nevtronske zvezde do Zemlje. Le nekaj se jih odpravi na pot. Imajo pa informacije, ki so potrebne za rešitev enega najtežjih vprašanj v astrofiziki.
Fotoni streljajo v vesolje v energičnem hitenju. Vroči žarki rentgenske energije počijo s površine drobnega, ultrazgočnega, vrtečega se ostanka supernove. Grede se v dolgem stoletju razširijo na poti. Toda vsake toliko časa se ena sama pika rentgenske svetlobe, ki je prepotovala 157 parseksov (512 svetlobnih let) po vesolju - 32 milijonov krat večja razdalja med Zemljo in soncem - porabi proti X Mednarodne vesoljske postaje (ISS) X teleskop z vzdevkom NICER. Nato na Zemlji vnese besedilno datoteko novo točko podatkov: energijo fotona in čas njegovega prihoda, merjeno z mikrosekundno natančnostjo.
Ta podatkovna točka bo skupaj z neštetimi drugimi, kot jih je zbrala tekom mesecev, odgovorila na osnovno vprašanje takoj po poletju 2018: Koliko je širok J0437-4715, najbližji sosed nevtronske zvezde na Zemlji?
Če lahko raziskovalci ugotovijo širino nevtronske zvezde, je fizik Sharon Morsink na zasedanju Ameriškega fizikalnega društva (APS) aprila 2018 množici znanstvenikov povedal, da bi te informacije lahko usmerile pot do reševanja ene izmed velikih skrivnosti fizike delcev: Kako se zadeva obnaša, ko jo potisnemo do najbolj divjih skrajnosti?
Na Zemlji, glede na obstoječo človekovo tehnologijo, obstajajo nekatere stroge omejitve glede tega, kako gosto snov lahko dobijo, tudi v skrajnih laboratorijih, in še težje omejitve, kako dolgo lahko preživijo najgostejša snov znanstveniki. To pomeni, da fiziki niso mogli ugotoviti, kako se delci obnašajo pri ekstremnih gostotah. Enostavno ni na voljo veliko dobrih eksperimentov.
"Obstajajo številne različne metodologije, ki poskušajo povedati, kako naj se obnašajo super gosto zadevo, vendar se vsi ne strinjajo," je Morsink, fizik z univerze v Alberti in član delovne skupine NASA osredotočen na širino nevtronskih zvezd, je povedal Live Science. "In način, s katerim se vsi ne strinjajo, je dejansko mogoče preizkusiti, ker vsak od njih napoveduje, kako velika je lahko nevtronska zvezda."
Z drugimi besedami, rešitev skrivnosti ultrazdrave snovi je zaklenjena znotraj nekaterih najgostejših predmetov vesolja - nevtronskih zvezd. In znanstveniki lahko to skrivnost razbijejo, takoj ko natančno izmerijo, kako široke (in zato goste) nevtronske zvezde so v resnici.
Fizika delcev v globokem vesolju
"Nevtronske zvezde so najbolj nezaslišani predmeti, za katere večina ljudi še nikoli ni slišala," je na srečanju v Columbusu v Ohiu fizikom povedal Nasin znanstvenik Zaven Arzoumanian.
Arzoumanian je eden od nosilcev Nasinega projekta Raziskovalec notranjih kompozicij Neutron Star (NICER), ki predstavlja tehnično podlago za Morsinkovo delo. NICER je velik vrtljiv teleskop, nameščen na ISS; spremlja in natančno časovno spremlja rentgenske žarke, ki prihajajo na območje nizke zemeljske orbite iz globokega vesolja.
Nevtronska zvezda je jedro, ki je zaostalo po obsežni eksploziji supernove, vendar naj bi bilo veliko širše od srednjega mesta. Nevtronske zvezde se lahko vrtijo pri visokih deležih svetlobne hitrosti in streljajo utripajoče snope rentgenske energije v vesolje z natančnejšim časovnim zamikom kot tikanje atomske ure.
Najpomembneje je, da so za namene Morsink in njenih sodelavcev nevtronske zvezde najgostejši znani predmeti v vesolju, ki se niso zrušili v črne luknje - toda za razliko od črnih lukenj lahko znanstveniki ugotovijo, kaj se dogaja v njih. Astronomi morajo natančno vedeti, kako široke so nevtronske zvezde, in NICER je instrument, ki bi moral končno odgovoriti na to vprašanje.
Kvarkova juha
Znanstveniki ne vedo natančno, kako se zadeva obnaša v skrajnem jedru nevtronske zvezde, vendar dovolj dobro razumejo, da vedo, da je zelo čudno.
Daniel Watts, fizik delcev z univerze v Edinburghu, je na konferenci APS ločenemu občinstvu povedal, da je notranjost nevtronske zvezde v bistvu velik velik vprašalnik.
Znanstveniki imajo nekaj odličnih meritev mase nevtronskih zvezd. Masa J0437-4715, na primer, je približno 1,44-krat večja od sončne, čeprav je večja ali manjša od Spodnjega Manhattna. To pomeni, je dejal Morsink, da je J0437-4715 daleč gostejši od jedra atoma - daleč najgostejši predmet, s katerim se srečujejo znanstveniki na Zemlji, kjer se velika večina atomske snovi zbere v le drobni piki v njegovem središču.
Na tej ravni gostote, je pojasnil Watts, sploh ni jasno, kako se zadeva obnaša. Kvarki, drobni delci, ki sestavljajo nevtrone in protone, ki tvorijo atome, ne morejo prosto obstajati sami. Ko pa zadeva doseže ekstremne gostote, bi se kvarki lahko še naprej vezali na delce, podobne tistim na Zemlji, ali oblikovali večje, bolj zapletene delce ali morda v celoti zlivali v bolj posplošeno juho iz delcev.
Znanstveniki vedo, Watts je povedal Live Science, da bodo podrobnosti o tem, kako se snov obnaša pri ekstremnih gostotah, določile, kako široke nevtronske zvezde dejansko dobijo. Če torej znanstveniki lahko najdejo natančne meritve nevtronskih zvezd, lahko zmanjšajo obseg možnosti, kako se zadeva obnaša v teh ekstremnih pogojih.
In če bi odgovoril na to vprašanje, bi lahko odkril odgovore na vse vrste skrivnosti fizike delcev, ki nimajo nič skupnega z nevtronskimi zvezdami. Po njegovem mnenju bi lahko na primer odgovoril, kako se posamezni nevtroni uredijo v jedrih zelo težkih atomov.
Za meritve NICER je potreben čas
Po mnenju Morsinka je večina nevtronskih zvezd široka med 20 in 28 kilometri, čeprav so lahko ozke kot 16 km. Kar zadeva astronomijo, je zelo ozek razpon, vendar premalo natančen, da bi lahko odgovoril na vprašanja, ki jih Morsink in njeni sodelavci zanimajo.
Da bi si prizadevali za še natančnejše odgovore, Morsink in njeni sodelavci preučujejo rentgenske žarke, ki prihajajo iz hitro vrtečih se "žarišč" na nevtronskih zvezdah.
Čeprav so nevtronske zvezde neverjetno kompaktne sfere, njihova magnetna polja povzročajo, da je energija, ki se spušča z njihovih površin, dokaj neenakomerna. Svetli obliži se oblikujejo in gobijo na njihovih površinah, ki se v krogih šibajo, ko se zvezde vrtijo večkrat na sekundo.
Tu je NICER. NICER je velik, vrtljiv teleskop, nameščen na ISS, ki lahko svetlobo, ki prihaja iz teh oblikov, preusmeri z neverjetno pravilnostjo.
Tako lahko Morsink in njeni sodelavci preučijo dve stvari, ki jim lahko pomagata ugotoviti polmer nevtronske zvezde:
1. Hitrost vrtenja: Ko se nevtronska zvezda zavrti, je dejal Morsink, svetla točka na njeni površini se namigne proti Zemlji in stran od nje, skoraj kot snop svetilnikov, ki se obračajo v krogih. Morsink in njeni sodelavci lahko natančno preučijo podatke NICER, da ugotovijo natančno, kolikokrat zvezda namigne vsak trenutek in natančno, kako hitro se svetla točka giblje skozi vesolje. Hitrost gibanja svetle točke je odvisna od hitrosti vrtenja zvezde in njenega polmera. Če lahko raziskovalci ugotovijo vrtenje in hitrost, je polmer določiti razmeroma enostavno.
2. Lahka krivina: Nevtronske zvezde so tako goste, da lahko NICER zazna fotone z zvezde svetle točke, ki je streljala v vesolje, medtem ko je bil spot usmerjen stran od Zemlje. Gravitacija nevtronske zvezde lahko svetlobo tako močno upogne, da se njeni fotoni obrnejo proti NICER-jevemu senzorju. Hitrost ukrivljenosti svetlobe je tudi funkcija polmera zvezde in njene mase. Tako lahko Morsink in njeni sodelavci s skrbnim proučevanjem, koliko zvezda z znano maso krivulje svetli, ugotovijo polmer zvezde.
In raziskovalci so blizu, da objavijo svoje rezultate, je dejal Morsink. (Več fizikov na njenem pogovoru z APS je izrazilo rahlo razočaranje, da ni napovedala določene številke, in navdušila je, da bo prišla.)
Morsink je za Live Science povedala, da se ne trudi dražiti prihajajoče objave. NICER samo še ni zbral dovolj fotonov, da bi ekipa lahko ponudila dober odgovor.
"To je tako, kot da prezgodaj vzamete torto iz pečice: preprosto končate zmešnjavo," je dejala.
Toda fotoni prihajajo, eden za drugim, v mesecih periodičnega študija NICER. In odgovor se bliža. Trenutno ekipa pregleduje podatke iz J0437-4715 in naslednjo Zemljino nevtronsko zvezdo, ki je približno dvakrat.
Morsink je dejala, da ni prepričana, kateri polmer nevtronske zvezde bosta ona in njeni sodelavci objavili najprej, vendar je dodala, da bosta obe objavi prišli v mesecih.
"Cilj je, da se to zgodi pozneje poleti, kjer se" poletje "uporablja v dokaj širokem smislu," je dejala. "Vendar bi rekel, da bi morali do septembra nekaj imeti."
