Kui suur täht läbib oma eluea lõpus gravitatsioonilise kokkuvarisemise, on tulemuseks sageli neutronitäht. See jääb pärast seda, kui tähe välimised kihid on puhutud massilises plahvatuses (st supernoovas) ja tuum on kokkusurutud äärmise tiheduseni. Pärast seda suureneb tähe pöörlemiskiirus märkimisväärselt ja seal, kus nad kiirgavad elektromagnetilise kiirguse kiirte, muutuvad need “pulsaatoriteks”.
Ja nüüd, 50 aastat pärast seda, kui Briti astrofüüsik Jocelyn Bell need esmakordselt avastas, on plaanis esimene nende objektide uurimiseks pühendatud missioon. Seda tuntakse kui neutrontähe sisemuse kompositsiooni uurijat (NICER), kaheosalist katset, mis võetakse sel suvel kasutusele rahvusvahelises kosmosejaamas. Kui kõik hästi läheb, valgustab see platvorm üht suurimat astronoomilist saladust ja proovib uusi tehnoloogiaid.
Astronoomid on peaaegu sajandit uurinud neutronitähti, mis on andnud nende masside ja raadiuste väga täpsed mõõtmised. See, mis neutronitähe sisemuses tegelikult selgub, jääb aga kestvaks saladuseks. Ehkki on välja töötatud arvukalt mudeleid, mis kirjeldavad nende sisemust valitsevat füüsikat, on endiselt ebaselge, kuidas mateeria seda tüüpi tingimustes käituks.
Pole üllatav, kuna neutronitähed hoiavad linna suuruses ruumi ruumalas tavaliselt meie Päikese massi umbes 1,4 korda (ehk 460 000 korda Maa massist). Sellist olukorda, kus märkimisväärne kogus ainet pakitakse väga väikeseks mahuks - mille tagajärjeks on muljumisjõud ja uskumatu ainetihedus -, ei näe kusagil mujal universumis.
Nagu NASA hiljutises NASA pressiteates selgitas NASA Goddardi kosmoselennukeskuse teadlane Keith Gendreau:
„Aine olemus nendes tingimustes on aastakümneid lahendamata probleem. Teooria on välja töötanud hulga mudeleid, et kirjeldada neutrontähtede sisemust juhtivat füüsikat. NICERi abil saame neid teooriaid lõpuks täpsete vaatlustega proovile panna. ”
NICE töötas välja NASA Goddardi kosmoselennukeskus Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (MIT), mereväe uurimislabori ning USA ja Kanada ülikoolide abiga. See koosneb külmiku suurusest aparaadist, mis sisaldab 56 röntgenteleskoopi ja ränidetektorit. Ehkki algselt kavatseti see kasutusele võtta 2016. aasta lõpus, ei saanud käivitusaken saadaval alles sel aastal.
Kui see on paigaldatud välise kasulikuna ISS-i pardale, kogub see andmeid 18-kuulise perioodi neutronitähtede (peamiselt pulsaarsete) kohta, jälgides röntgenikiirguse neutronitähti. Ehkki need tähed kiirgavad kogu spektrit, on röntgenvaatlus kõige lootustandvam, kui paljastada asju nende struktuuri ja nendega seotud mitmesuguste suure energiatarbimisega nähtuste kohta.
Nende hulka kuuluvad tärkamised, tuumalõhkeplahvatused ja kõige võimsamad magnetväljad, mida Universumis tuntakse. Selleks kogub NICER nende tähtede magnetväljadest ja magnetpoolustest genereeritud röntgenikiirte. See on võti, kuna neutronitähe magnetvälja tugevus põhjustab pooluste kinni jäämist ja pinnale vihma, mis tekitab röntgenkiirte.
Pulsarites põhjustavad just need intensiivsed magnetväljad energeetilistest osakestest fokuseeritud kiirguskiired. Need talad annavad impulssidele oma nime, kuna tänu tähe pöörlemisele näevad need välja nagu välgud (annavad neile oma tuletorni-välimuse). Nagu füüsikud on märganud, on need pulsatsioonid etteaimatavad ja seetõttu saab neid kasutada samal viisil nagu Maa peal on aatomkellad ja globaalne positsioneerimissüsteem.
Kuigi NICERi peamine eesmärk on teadus, pakub see ka võimalust katsetada uusi tehnoloogiavorme. Näiteks kasutatakse seda vahendit esmakordselt autonoomse röntgenikiirguse pulsaril põhineva navigatsiooni demonstreerimiseks. Röntgenikiirguse ajastamise ja navigatsioonitehnoloogia Station Exploreri (SEXTANT) osana kasutab meeskond NICERi teleskoope pulsside tekitatavate röntgenkiirte tuvastamiseks, et hinnata nende impulsside saabumisaegu.
Seejärel kasutab meeskond spetsiaalselt loodud algoritme pardal oleva navigatsioonilahenduse loomiseks. Tulevikus võiksid tähtedevahelised kosmoselaevad teoreetiliselt sellele tugineda, et oma asukohta autonoomselt arvutada. See võimaldab neil leida tee kosmoses, ilma et peaks toetuma NASA süvakosmosevõrgule (DSN), mida peetakse maailma kõige tundlikumaks telekommunikatsioonisüsteemiks.
Lisaks navigeerimisele loodab NICERi projekt läbi viia ka kõigi aegade esimese katse röntgenipõhise kommunikatsiooni (XCOM) elujõulisuse kohta. Kasutades andmete saatmiseks ja vastuvõtmiseks röntgenikiirgust (samamoodi nagu me praegu raadiolaineid), saaksid kosmoseaparaadid edastada andmeid planeetidevahelistel vahemaadel gigabiti sekundis kiirusega. Selline võime võib muuta revolutsiooni viisil, kuidas me suhtleme meeskonnaga missioonide, roveri ja orbiidiga.
Mõlema demonstratsiooni keskmes on modulaarne röntgenikiirgusallikas (MXS), mille NICERi meeskond töötas välja kasuliku koormusetektorite kalibreerimiseks ja navigeerimisalgoritmide testimiseks. Genereerides kiiresti muutuva intensiivsusega röntgenkiirgust (mitu korda sekundis sisse ja välja lülitades) simuleerib see seade neutronitähe pulsatsioone. Nagu Gendreau selgitas:
„See on väga huvitav eksperiment, mida me kosmosejaamas teeme. NASA peakorteris on olnud palju teaduse ja kosmosetehnoloogia inimeste tugevat tuge. Nad on aidanud meil edasi arendada tehnoloogiaid, mis muudavad NICERi võimalikuks, ning ka neid, mida NICER demonstreerib. Missioon on lõõmav rada mitmel erineval tasandil. ”
Loodetavasti on MXS valmis järgmisel aastal millalgi jaama tarnima; sel ajal võisid alata navigatsiooni- ja suhtlusmonstratsioonid. Ja eeldatakse, et enne 25. juulit, mis tähistab Belli avastamise 50. aastapäeva, on meeskond kogunud piisavalt andmeid, et tutvustada leide selle aasta lõpus kavandatud teaduskonverentsidel.
Kui see õnnestub, võib NICER revolutsiooniliselt muuta meie arusaama neutronitähtede (ja kuidas mateeria ülitihedas olekus käitumisest) käitumisest. Need teadmised võiksid aidata meil mõista ka teisi kosmoloogilisi saladusi, näiteks mustad augud. Lisaks võiks röntgenikiirguside ja navigeerimine revolutsiooniliselt kosmoseuuringutesse ja reisimisse muuta, nagu me seda teame. Lisaks suuremale tulule kodu lähedal asuvatelt robotmissioonidelt, võib see võimaldada ka tulusamaid missioone päikesesüsteemi välimisse kohta ja isegi kaugemale.
