Kõrgenergilise footoni rändamiseks lähimast neutronitähest Maale kulub 512 aastat. Ainult mõned neist teevad reisi. Kuid neis on teavet, mis on vajalik astrofüüsika ühe raskeima küsimuse lahendamiseks.
Footonid tulistavad kosmosesse energilise kiirustamise ajal. Röntgenkiirguse kuumad kiired purskavad pisikese ülipinde, pöörleva supernoova jäänuse pinnalt. Talad hajuvad transiidi ajal pikkade sajandite jooksul. Kuid aeg-ajalt kulutab üks röntgenikiirguse punkt, mis läbis kosmoses 157 parselit (512 valgusaastat) - Maa ja päikese vaheline kaugus 32 miljonit korda - kulutab end Rahvusvahelise Kosmosejaama (ISS) X vastu -kiire teleskoop, hüüdnimega NICER. Seejärel siseneb Maa peal tekstifail uude andmete punkti: footoni energia ja selle saabumisaeg, mõõdetuna mikrosekundi täpsusega.
See andmepunkt koos lugematul hulgal teistega, nagu see on kuude jooksul kogutud, vastab põhiküsimusele kohe kui suvi 2018: kui lai on J0437-4715, Maa lähim neutronitähtede naaber?
Kui teadlased suudavad välja mõelda neutronitähe laiuse, ütles füüsik Sharon Morsink Ameerika füüsilise seltsi (APS) 2018. aasta aprilli kohtumisel teadlaste ringile, et see teave võib näidata teed osakeste füüsika ühe suure mõistatuse lahendamiseni: Kuidas kas mateeria käitub oma kõige metsikumatesse äärmustesse surudes?
Maal, arvestades inimkonna olemasolevat tehnoloogiat, on isegi äärmuslikes laboratooriumides tiheda aine saamise piirangud ja veelgi raskemad piirangud, kui kaua kõige tihedamad ained teadlased suudavad ellu jääda. See tähendas, et füüsikud pole suutnud välja mõelda, kuidas osakesed käituvad äärmuslikel tihedustel. Häid katseid pole lihtsalt palju.
"Seal on palju erinevaid metoodikaid, mille abil inimesed tulevad välja, et proovida öelda, kuidas ülitihe mateeria peaks käituma, kuid need pole kõik nõus," ütles Alberta ülikooli füüsik Morsink ja NASA töörühma liige keskendunud neutrontähtede laiusele, rääkis Live Science. "Ja seda, kuidas nad kõik pole nõus, saab tegelikult proovile panna, sest igaüks neist prognoosib, kui suur võib olla neutronitäht."
Teisisõnu, ultradense mateeria saladuse lahendus on lukustatud mõne universumi kõige tihedama objekti - neutronitähtede - sisemusse. Ja teadlased saavad selle mõistatuse purustada kohe, kui nad mõõdavad täpselt, kui laiad (ja seetõttu tihedad) neutronitähed tegelikult on.
Osakeste füüsika sügavas kosmoses
"Neutronitähed on kõige ennekuulmatumad objektid, millest enamik inimesi pole kunagi kuulnud," rääkis NASA teadlane Zaven Arzoumanian füüsikutele Ohios Columbuses toimunud kohtumisel.
Arzoumanian on NASA projekti Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) üks juhte, mis moodustab Morsinki töö tehnilise aluse. NICER on suur pöörlev teleskoop, mis on paigaldatud ISS-ile; see jälgib ja täpselt korda röntgenikiirte, mis saabuvad Maa madala orbiidi alale süvakosmosest.
Neutronitäht on tuum, mis on pärast massiivset supernoova plahvatust maha jäänud, kuid arvatakse, et see pole palju laiem kui keskmise suurusega linn. Neutronitähed suudavad pöörduda suure kiirusega murdosa suunas, tulistades kosmosesse virvendavaid röntgenkiirte kiirte täpsust, kui aatomkellade tiksumine.
Ja mis kõige tähtsam Morsinki ja tema kolleegide jaoks, on neutronitähed universumi kõige tihedamalt teadaolevad objektid, mis pole mustadesse aukudesse varisenud - kuid erinevalt mustadest aukudest on teadlastel võimalik välja mõelda, mis nende sees toimub. Astronoomid peavad lihtsalt täpselt teadma, kui laiad neutronitähed tegelikult on ja NICER on instrument, mis sellele küsimusele peaks lõpuks vastama.
Quark supp
Teadlased ei tea täpselt, kuidas mateeria neutronitähe äärmises tuumas käitub, kuid nad mõistavad piisavalt, et teada, et see on väga imelik.
Edinburghi ülikooli osakestefüüsik Daniel Watts ütles APS-i konverentsil eraldi publikule, et neutronitähe sisemus on sisuliselt suur suur küsimärk.
Teadlastel on suurepärased neutronitähtede masside mõõtmised. Näiteks J0437-4715 mass on umbes 1,44 korda suurem kui päike, hoolimata sellest, et see on enam-vähem Alam-Manhattani suurus. See tähendab Morsinki sõnul, et J0437-4715 on kaugelt tihedam kui aatomi tuum - kaugelt kõige tihedam objekt, mida teadlased Maal kohtavad, kus valdav enamus aatomi ainesest koguneb kõigest pisikesest täpikesest selle keskele.
Selle tiheduse tasemel, selgitas Watts, pole üldse selge, kuidas mateeria käitub. Kvargid, aatomitest koosnevad neutroneid ja prootoneid moodustavad pisikesed osakesed ei saa iseseisvalt eksisteerida. Kuid kui mateeria jõuab äärmise tiheduseni, võivad kvargid hoida seondumist osakestega, mis on sarnased Maal, või moodustada suuremaid, keerulisemaid osakesi või võib-olla moodustuda täielikult üldisemaks osakesteks.
Watts ütles ajakirjale Live Science, et teadlased teavad, et see, kuidas mateeria käitub äärmuslikel tihedustel, määrab täpselt, kui laiad neutronitähed tegelikult saavad. Nii et kui teadlased suudavad välja töötada neutrontähtede täpsed mõõtmised, võivad nad kitsendada võimalusi, kuidas mateeria ekstreemsetes tingimustes käitub.
Ja sellele küsimusele vastates võiks Watts öelda, et see võib avada vastused kõikvõimalikele osakeste füüsikalistele mõistatustele, millel pole neutronitähtedega mingit pistmist. Näiteks võib tema sõnul aidata vastata sellele, kuidas üksikud neutronid asuvad väga raskete aatomite tuumades.
NICERi mõõtmine võtab aega
Arvatakse, et enamiku neutronitähtede laius on vahemikus 12–17 miili (20–28 kilomeetrit), ehkki need võivad olla nii kitsad kui 10 miili (16 km). See on astronoomia mõttes väga kitsas vahemik, kuid mitte piisavalt täpne, et vastata küsimustele, mis Morsinki ja tema kolleegide vastu huvi pakuvad.
Veelgi täpsemate vastuste poole püüdlemiseks uurivad Morsink ja tema kolleegid röntgenikiirgust, mis pärineb kiiresti neutronitähtedel "levialadest".
Kuigi neutronitähed on uskumatult kompaktsed sfäärid, põhjustavad nende magnetväljad nende pindadelt tuleva energia üsna ebaühtlast. Nende pinnal moodustuvad eredad laigud ja seened, mis piitsutavad ringi, kui tähed pöörduvad mitu korda sekundis.
NICER tuleb sinna sisse. NICER on ISS-i külge kinnitatud suur pöörlev teleskoop, mis suudab nendest plaastritest tulevat valgust uskumatult regulaarselt aeglustada.
See võimaldab Morsinkil ja tema kolleegidel uurida kahte asja, mis mõlemad võivad aidata neil neutronitähe raadiust välja mõelda:
1. Pöörlemiskiirus: Kui neutrontäht pöörleb, kiirgab selle pinnal asuv hele täpp Maa poole ja maast eemale peaaegu nagu tuletornist pöörlevate ringide valgusvihk. Morsink ja tema kolleegid saavad NICERi andmeid hoolikalt uurida, et teha kindlaks nii täpselt, mitu korda täht igal hetkel pilgutab, kui ka seda, kui kiiresti hele täpp kosmoses liigub. Ja ereda punkti liikumise kiirus on tähe pöörlemiskiiruse ja selle raadiuse funktsioon. Kui teadlased suudavad pöörde ja kiiruse välja mõelda, on raadiust suhteliselt lihtne kindlaks teha.
2. kerge painutamine: Neutronitähed on nii tihedad, et NICER suudab tuvastada tähe eredast punktist footonid, mis vallandusid kosmosesse ajal, kui täpp oli suunatud Maast eemale. Neutronitähe gravitatsioonikaev suudab valgust nii järsult painutada, et selle footonid pöörduvad NICERi sensori poole ja lähevad sinna. Valguse kumerus on ka tähe raadiuse ja selle massi funktsioon. Nii et Morsink ja tema kolleegid suudavad tähe raadiuse välja mõelda, uurides hoolikalt, kui palju tuntud massiga täht süttib.
Ja teadlased on lähedal oma tulemuste teatavakstegemisele, ütles Morsink. (Mitmed tema APS-i vestluses osalenud füüsikud väljendasid kerget pettumust, et ta polnud konkreetset numbrit teatanud, ja põnevust, et see tuleb.)
Morsink ütles Live Scienceile, et ta ei üritanud eelseisvat teadaannet kiusata. NICER pole lihtsalt veel piisavalt footoneid kogunud, et meeskond saaks hea vastuse.
"See on nagu kooki liiga vara ahjust välja võtmine: teil on lihtsalt jama," sõnas naine.
Kuid footonid saabuvad ükshaaval NICERi perioodiliste uuringute kuu jooksul. Ja vastus on lähenemas. Praegu uurib meeskond andmeid J0437-4715 ja Maa järgmise lähima neutronitähe kohta, mis on umbes kaks korda kaugemal.
Morsink ütles, et pole kindel, millise neutronitähe raadiuse tema ja ta kolleegid kõigepealt avaldavad, kuid ta lisas, et mõlemad teated jõuavad kuude jooksul.
"Eesmärk on, et see juhtuks hiljem sel suvel, kus" suve "kasutatakse üsna laias tähenduses," sõnas naine. "Kuid ma ütleksin, et septembriks peaks meil midagi olema."
