Χρειάζονται 512 χρόνια για να φθάσει ένα φωτόνιο υψηλής ενέργειας από το πλησιέστερο αστέρι νετρονίων στη Γη. Μόνο μερικοί από αυτούς κάνουν το ταξίδι. Αλλά φέρουν τις απαραίτητες πληροφορίες για την επίλυση μιας από τις πιο δύσκολες ερωτήσεις στην αστροφυσική.
Τα φωτόνια πυροβολούν στο διάστημα σε μια ενεργητική βιασύνη. Οι θερμές ακτίνες της ενέργειας των ακτίνων Χ εκρήγνυνται από την επιφάνεια του μικροσκοπικού, εξαιρετικά πυκνού υπολείμματος μιας σουπερνόβα. Οι ακτίνες διασκορπίζονται για μεγάλους αιώνες κατά τη μεταφορά. Όμως, κάθε μία φορά, μια μόνο κουκκίδα φωτός ακτίνων Χ που ταξιδεύει 157 parsecs (512 έτη φωτός) σε όλο το διάστημα - 32 εκατομμύρια φορές η απόσταση μεταξύ της Γης και του ήλιου - εκτάσσεται ενάντια στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS) X -τηλεσκόπιο με ψευδάργυρο, με το παρατσούκλι NICER. Στη συνέχεια, κάτω από τη Γη, ένα αρχείο κειμένου εισάγει ένα νέο σημείο δεδομένων: την ενέργεια του φωτονίου και τον χρόνο άφιξής του, μετρούμενη με ακρίβεια μικροδευτερόλεπτων.
Αυτό το σημείο δεδομένων, μαζί με αμέτρητους άλλους που το συλλέγουν κατά τη διάρκεια των μηνών, θα απαντήσουν σε μια βασική ερώτηση μόλις το καλοκαίρι του 2018: Πόσο πλατιά είναι το J0437-4715, ο πλησιέστερος γείτονας νετρονίων αστέρων της γης;
Αν οι ερευνητές μπορούν να καταλάβουν το πλάτος ενός αστέρα νετρονίων, ο φυσικός Sharon Morsink είπε σε πλήθος επιστημόνων στη συνάντηση της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής Εταιρείας (APS) τον Απρίλιο του 2018, ότι οι πληροφορίες θα μπορούσαν να δείξουν το δρόμο προς την επίλυση ενός από τα μεγάλα μυστήρια της σωματιδιακής φυσικής: έχει σημασία να συμπεριφέρεται όταν ωθείται στα πιο άγρια άκρα της;
Στη Γη, δεδομένης της υπάρχουσας τεχνολογίας της ανθρωπότητας, υπάρχουν ορισμένα σκληρά όρια για το πόση πυκνή ύλη μπορεί να πάρει, ακόμη και σε ακραία εργαστήρια, και ακόμη πιο σκληρά όρια για το πόσο καιρό οι πιο πυκνοί επιστήμονες μπορούν να επιβιώσουν. Αυτό σημαίνει ότι οι φυσικοί δεν κατάφεραν να καταλάβουν πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια σε ακραίες πυκνότητες. Απλά δεν υπάρχουν πολλά καλά πειράματα διαθέσιμα.
"Υπάρχουν αρκετές διαφορετικές μεθοδολογίες που καταβάλλουν οι άνθρωποι για να προσπαθήσουν να πει πόσο υπερβολικά πυκνή πρέπει να συμπεριφέρονται, αλλά δεν συμφωνούν όλοι", ο Morsink, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα και μέλος μιας ομάδας εργασίας της NASA επικεντρώθηκε στο πλάτος των αστερωνίων, είπε στη Live Science. "Και ο τρόπος με τον οποίο δεν συμφωνούν όλοι μπορούν πραγματικά να δοκιμαστούν γιατί κάθε ένας από αυτούς κάνει μια πρόβλεψη για το πόσο μεγάλο μπορεί να είναι ένα αστέρι νετρονίων".
Με άλλα λόγια, η λύση στο μυστήριο της υπερβολικής ύλης είναι κλειδωμένη μέσα σε μερικά από τα πιο πυκνά αντικείμενα του σύμπαντος - αστέρια νετρονίων. Και οι επιστήμονες μπορούν να σπάσουν αυτό το μυστήριο μόλις μετρήσουν με ακρίβεια πόσο ευρύτατα (και συνεπώς πυκνά) αστέρια νετρονίων είναι πραγματικά.
Φυσική σωματιδίων σε βαθύ χώρο
"Τα αστέρια των νετρονίων είναι τα πιο εξωφρενικά αντικείμενα που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν ακούσει ποτέ", δήλωσε ο καθηγητής της NASA Zaven Arzoumanian στους φυσικούς στη συνάντηση στο Κολόμπους του Οχάιο.
Ο Arzoumanian είναι ένας από τους επικεφαλής του έργου Explorer Nation Explorer (NICER) της NASA, που αποτελεί την τεχνική βάση για το έργο του Morsink. Το NICER είναι ένα μεγάλο, περιστρεφόμενο τηλεσκόπιο τοποθετημένο στο ISS. παρακολουθεί και με ακρίβεια τις ακτίνες Χ που φθάνουν στην περιοχή χαμηλής τροχιάς της Γης από βαθύ χώρο.
Ένα αστέρι νετρονίων είναι ο πυρήνας που άφησε πίσω του μετά από μια τεράστια έκρηξη του σουπερνόβα, αλλά πιστεύεται ότι δεν είναι πολύ ευρύτερη από μια μεσαία πόλη. Τα αστέρια των νετρονίων μπορούν να γυρίσουν σε υψηλά κλάσματα της ταχύτητας του φωτός, πυροδοτώντας τρεμοπαίζει δέσμες ενέργειας ακτίνων Χ στο διάστημα με ακριβέστερο χρονισμό από το χτύπημα των ατομικών ρολογιών.
Και το πιο σημαντικό για τους Morsink και τους συναδέλφους τους, τα αστέρια νετρονίων είναι τα πιο πυκνά γνωστά αντικείμενα στο σύμπαν που δεν έχουν καταρρεύσει σε μαύρες τρύπες - αλλά σε αντίθεση με τις μαύρες τρύπες, είναι δυνατό για τους επιστήμονες να καταλάβουν τι συμβαίνει μέσα τους. Οι αστρονόμοι απλά πρέπει να γνωρίζουν με ακρίβεια πόσο μεγάλα αστέρια νετρονίων είναι πραγματικά, και το NICER είναι το όργανο που θα πρέπει τελικά να απαντήσει σε αυτή την ερώτηση.
Κουάρ σούπα
Οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν ακριβώς πώς συμπεριφέρεται η ύλη στον ακραίο πυρήνα ενός αστέρα νετρονίων, αλλά καταλαβαίνουν αρκετά για να ξέρουν ότι είναι πολύ παράξενο.
Ο Daniel Watts, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, δήλωσε σε ένα ξεχωριστό κοινό στη διάσκεψη του APS ότι το εσωτερικό ενός αστέρα νετρονίων είναι ουσιαστικά ένα μεγάλο ερωτηματικό.
Οι επιστήμονες έχουν μερικές εξαιρετικές μετρήσεις των μαζών των αστέρων των νετρονίων. Η μάζα του J0437-4715, για παράδειγμα, είναι περίπου 1,44 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του ήλιου, παρά το γεγονός ότι είναι περίπου το μέγεθος του Κάτω Μανχάταν. Αυτό σημαίνει, λέει ο Morsink, ότι το J0437-4715 είναι πολύ πυκνότερο από τον πυρήνα ενός ατόμου - μακράν το πυκνότερο αντικείμενο που συναντούν οι επιστήμονες στη Γη, όπου η συντριπτική πλειοψηφία της ατμόσφαιρας ενός ατόμου συγκεντρώνεται σε ένα μικρό μικροσκοπικό σημείο στο κέντρο της.
Σε αυτό το επίπεδο πυκνότητας, εξήγησε ο Watts, δεν είναι καθόλου σαφές πώς συμπεριφέρεται η ύλη. Τα κουάρκ, τα μικροσκοπικά σωματίδια που απαρτίζουν τα νετρόνια και τα πρωτόνια, τα οποία απαρτίζουν τα άτομα, δεν μπορούν να υπάρχουν ελεύθερα από μόνα τους. Αλλά όταν η ύλη φτάσει σε ακραίες πυκνότητες, τα κουάρκ θα μπορούσαν να διατηρήσουν τη δέσμευσή τους σε σωματίδια παρόμοια με εκείνα της Γης ή να σχηματίσουν μεγαλύτερα, πιο σύνθετα σωματίδια ή ίσως να συνενωθούν εξ ολοκλήρου σε μια πιο γενικευμένη σούπα σωματιδίων.
Αυτό που γνωρίζουν οι επιστήμονες, ο Watts είπε στη Live Science, είναι ότι οι λεπτομέρειες του τρόπου συμπεριφοράς της ύλης σε ακραίες πυκνότητες θα καθορίσουν πόσο πλατιά τα αστέρια νετρονίων παίρνουν. Έτσι, εάν οι επιστήμονες μπορούν να βρουν ακριβείς μετρήσεις των αστερων νετρονίων, μπορούν να περιορίσουν το φάσμα των δυνατοτήτων για το πώς συμπεριφέρεται η ύλη κάτω από αυτές τις ακραίες συνθήκες.
Και απαντώντας σε αυτή την ερώτηση, Watts είπε, θα μπορούσε να ξεκλειδώσετε απαντήσεις σε όλα τα μυστήρια σωματιδιακής φυσικής που δεν έχουν καμία σχέση με τα αστέρια νετρονίων. Για παράδειγμα, είπε, θα μπορούσε να βοηθήσει στην απάντηση ακριβώς πώς τα μεμονωμένα νετρόνια οργανώνονται στους πυρήνες των πολύ βαριών ατόμων.
Οι μετρήσεις NICER χρειάζονται χρόνο
Τα περισσότερα αστέρια νετρονίων, δήλωσε ο Morsink, πιστεύεται ότι είναι μεταξύ περίπου 12 και 17 μίλια (20 και 28 χιλιόμετρα), αν και μπορεί να είναι τόσο στενά όπως 16 μίλια. Αυτό είναι ένα πολύ στενό εύρος από την άποψη της αστρονομίας, αλλά όχι αρκετά ακριβές ώστε να απαντά στα ερωτήματα που η Morsink και οι συνάδελφοί της ενδιαφέρονται.
Για να πιέσουμε ακόμα πιο ακριβείς απαντήσεις, η Morsink και οι συνάδελφοί της μελετούν τις ακτινογραφίες που προέρχονται από τα ταχέως περιστρεφόμενα "καυτά σημεία" στα αστέρια νετρονίων.
Αν και τα αστέρια νετρονίων είναι απίστευτα συμπαγείς σφαίρες, τα μαγνητικά τους πεδία προκαλούν την ισορροπία της ενέργειας των επιφανειών τους. Φωτεινά μπαλώματα σχηματίζουν και μανιτάρια στις επιφάνειές τους, κτυπώντας γύρω από τους κύκλους καθώς τα αστέρια γυρίζουν πολλές φορές το δευτερόλεπτο.
Εδώ μπαίνει το NICER. Το NICER είναι ένα μεγάλο, περιστρεφόμενο τηλεσκόπιο τοποθετημένο στο ISS που μπορεί να χρονοτριβεί το φως που προέρχεται από αυτά τα μπαλώματα με απίστευτη κανονικότητα.
Αυτό επιτρέπει στην Morsink και στους συναδέλφους της να μελετήσουν δύο πράγματα, και τα δύο μπορούν να τα βοηθήσουν να καταλάβουν την ακτίνα ενός αστέρα νετρονίων:
1. Η ταχύτητα περιστροφής: Όταν το αστέρι νετρονίων στροφές, Morsink είπε, το φωτεινό σημείο στην επιφάνεια του ματιών προς και μακριά από τη Γη, σχεδόν όπως η ακτίνα από έναν φάρο στροφή κύκλους. Η Morsink και οι συνάδελφοί της μπορούν να μελετήσουν προσεκτικά τα δεδομένα NICER για να καθορίσουν τόσο πόσες φορές το αστέρι βγαίνει κάθε στιγμή και πόσο γρήγορα το φωτεινό σημείο κινείται μέσα στο διάστημα. Και η ταχύτητα της κίνησης του φωτεινού σημείου είναι συνάρτηση του ρυθμού περιστροφής του αστεριού και της ακτίνας του. Εάν οι ερευνητές μπορούν να καταλάβουν την περιστροφή και την ταχύτητα, η ακτίνα είναι σχετικά εύκολο να προσδιοριστεί.
2. Κάμψη φωτός: Τα αστέρια των νετρονίων είναι τόσο πυκνά ώστε το NICER να μπορεί να ανιχνεύσει φωτόνια από το φωτεινό σημείο του αστέρα που πυροβόλησε στο διάστημα ενώ το σημείο ήταν στραμμένο μακριά από τη Γη. Η βαρύτητα του αστεροειδούς μπορεί να κάμψει το φως τόσο έντονα ώστε τα φωτόνια του να στραφούν προς τον αισθητήρα του NICER. Ο ρυθμός καμπυλότητας του φωτός είναι επίσης συνάρτηση της ακτίνας του αστέρα και της μάζας του. Έτσι, μελετώντας προσεκτικά πόσο ένα άστρο με μια γνωστή μάζα καμπυλώνει το φως, η Morsink και οι συνεργάτες της μπορούν να υπολογίσουν την ακτίνα του αστέρα.
Και οι ερευνητές είναι κοντά στην ανακοίνωση των αποτελεσμάτων τους, δήλωσε ο Morsink. (Αρκετοί φυσικοί στη συνομιλία της για το APS εξέφρασαν κάποια ελαφρά απογοήτευση ότι δεν είχε ανακοινώσει έναν συγκεκριμένο αριθμό και τον ενθουσιασμό που ήλθε).
Ο Morsink είπε στη Live Science ότι δεν προσπαθούσε να πειράξει την επερχόμενη ανακοίνωση. Ο NICER δεν έχει συλλέξει ακόμη αρκετά φωτόνια για να προσφέρει μια καλή απάντηση στην ομάδα.
"Είναι σαν να πάρετε ένα κέικ από το φούρνο πολύ νωρίς: καταλήγετε απλά με ένα χάος», είπε.
Αλλά τα φωτόνια φθάνουν, ένα προς ένα, κατά τους μήνες της περιοδικής μελέτης του NICER. Και μια απάντηση πλησιάζει. Αυτή τη στιγμή, η ομάδα εξετάζει δεδομένα από το J0437-4715 και το επόμενο πλησιέστερο άστρο νετρονίων της Γης, το οποίο είναι περίπου διπλάσιο.
Η Morsink δήλωσε ότι δεν είναι σίγουρη για ποια ακτίνα αστέρος νετρονίων θα δημοσιεύσει πρώτα και οι συνάδελφοί της, αλλά πρόσθεσε ότι και οι δύο ανακοινώσεις θα έρθουν μέσα σε μήνες.
"Στόχος είναι να συμβεί αυτό αργότερα αυτό το καλοκαίρι, όπου το" καλοκαίρι "χρησιμοποιείται με αρκετά ευρεία έννοια", ανέφερε. "Αλλά θα έλεγα ότι μέχρι τον Σεπτέμβριο, θα έπρεπε να έχουμε κάτι."
