Нужни са 512 години, за да може фотонът с висока енергия да пътува от най-близката неутронна звезда до Земята. Само няколко от тях правят пътуването. Но те носят информацията, необходима за решаването на един от най-трудните въпроси в астрофизиката.
Фотоните стрелят в космоса в енергичен прилив. Горещи лъчи на рентгенова енергия избухват от повърхността на мъничкия, свръхтегъл, въртящ се остатък от свръхнова. Гредите се разминават през дълги векове в транзит. Но от време на време една единствена точка от рентгенова светлина, която е изминала 157 парсекса (512 светлинни години) в космоса - 32 милиона пъти разстоянието между Земята и Слънцето, се изразходва срещу X на Международната космическа станция (ISS) X телескоп, по прякор NICER. След това, долу на Земята, текстов файл въвежда нова точка от данни: енергията на фотона и времето на пристигането му, измерено с микросекунда точност.
Тази точка от данни, заедно с безброй други като нея, събрани в течение на месеци, ще отговори на основен въпрос веднага след лято 2018: Колко широк е J0437-4715, най-близката съседка на неутронна звезда на Земята?
Ако изследователите могат да разберат ширината на неутронна звезда, физикът Шарън Морсинк каза пред тълпа учени по време на срещата на Американското физическо общество (APS) през април 2018 г., тази информация може да насочи пътя към разрешаването на една от големите мистерии на физиката на частиците: как дали материята се държи, когато е тласкана до най-дивите си крайности?
На Земята, като се има предвид съществуващата технология на човечеството, има някои твърди граници за това колко гъста материя може да се получи, дори в екстремни лаборатории и още по-трудни граници за това колко дълго може да оцелее най-гъстата материя. Това означава, че физиците не са успели да разберат как частиците се държат при екстремни плътности. Просто няма много добри експерименти.
"Има редица различни методологии, които хората измислят да се опитат да кажат как трябва да се държи супер гъстата материя, но не всички са съгласни", Морсинк, физик от Университета в Алберта и член на работна група на НАСА фокусиран върху ширината на неутронните звезди, каза Live Science. "И начинът, по който всички не са съгласни, всъщност може да бъде тестван, защото всеки от тях прави прогноза колко голяма може да бъде неутронна звезда."
С други думи, решението на мистерията на свръх плътната материя се заключва в някои от най-плътните обекти на Вселената - неутронни звезди. И учените могат да разрушат тази мистерия, веднага щом премерят точно колко широки (и следователно плътни) неутронни звезди наистина са.
Физика на частиците в дълбокото пространство
"Нейтронните звезди са най-скандалните обекти, за които повечето хора никога не са чували", каза ученият от НАСА Завен Арзумански пред физиците на срещата в Колумб, Охайо.
Arzoumanian е един от ръководителите на NASA проекта на Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), който представлява техническата основа за работата на Morsink. NICER е голям, въртящ се телескоп, монтиран на МКС; той следи и точно пъти рентгеновите лъчи, които пристигат в областта на ниската орбита на Земята от дълбокото пространство.
Неутронна звезда е сърцевината, останала след масивна експлозия на свръхнова, но се смята, че е не много по-широка от средния град. Нейтронните звезди могат да се въртят при високи фракции от скоростта на светлината, изстрелвайки трептящи лъчи от рентгенова енергия в космоса с по-прецизни времена, отколкото тиктакането на атомните часовници.
И най-важното за целите на Морсинк и нейните колеги, неутронните звезди са най-плътните известни обекти във Вселената, които не са се срутили в черни дупки, но за разлика от черните дупки, учените могат да разберат какво се случва вътре в тях. Астрономите просто трябва да знаят точно колко широки са неутронните звезди в действителност и NICER е инструментът, който най-накрая трябва да отговори на този въпрос.
Кварка супа
Учените не знаят как точно се държи материята в крайното ядро на неутронна звезда, но те разбират достатъчно, за да знаят, че е много странно.
Даниел Уотс, физик на частици в Университета в Единбург, каза на отделна аудитория на конференцията на APS, че вътрешността на неутронна звезда по същество е голям голям въпрос.
Учените имат няколко отлични измервания на масата на неутроновите звезди. Масата на J0437-4715 например е около 1,44 пъти по-голяма от тази на слънцето, въпреки че е по-малка или по-малка от размера на Долен Манхатън. Това означава, казва Морсинк, че J0437-4715 е далеч по-гъст от ядрото на атом - далеч най-плътният обект, с който се срещат учените на Земята, където огромното мнозинство от материята на атома се събира само в една малка мъничка в центъра му.
При това ниво на плътност, обясни Уотс, изобщо не е ясно как се държи материята. Кварки, мъничките частици, които образуват неутрони и протони, съставляващи атоми, не могат да съществуват свободно самостоятелно. Но когато материята достигне изключителна плътност, кварките могат да продължат да се свързват с частици, подобни на тези на Земята, или да образуват по-големи, по-сложни частици, или може би заедно с каша в по-генерализирана супа от частици.
Това, което учените наистина знаят, каза Уотс пред Live Science, че подробностите за това как се държи материята при екстремни плътности ще определят колко широки неутронни звезди действително получават. Така че, ако учените могат да изградят точни измервания на неутронни звезди, те могат да ограничат диапазона от възможности за това как се държи материята при тези екстремни условия.
И отговаряйки на този въпрос, каза Уотс, може да отключи отговори на всякакви мистерии на физиката на частиците, които нямат нищо общо с неутронните звезди. Например, каза той, това може да помогне да се отговори само на това как отделни неутрони се подреждат в ядрата на много тежки атоми.
Измерванията на NICER отнемат време
Смята се, че повечето неутронни звезди са широки между 20 и 28 километра между 12 и 17 мили, макар че може да са толкова тежки, колкото 10 мили (16 км). Това е много тесен диапазон от гледна точка на астрономията, но не достатъчно точно, за да отговори на видовете въпроси, които Морсинк и нейните колеги се интересуват.
За да притиснат към още по-точни отговори, Морсинк и нейните колеги изучават рентгенови лъчи, идващи от бързо въртящи се "горещи точки" върху неутронни звезди.
Въпреки че неутронните звезди са невероятно компактни сфери, техните магнитни полета причиняват енергията, която излиза от повърхностите им, да бъде сравнително неравна. Ярки петна се образуват и гъби по повърхностите им, размахвайки се в кръг, тъй като звездите се въртят много пъти в секунда.
Това е мястото, където идва NICER. NICER е голям, въртящ се телескоп, монтиран на МКС, който може да предава светлината, идваща от тези пластири, с невероятна регулярност.
Това позволява на Морсинк и нейните колеги да изучават две неща, и двете от които могат да им помогнат да разберат радиуса на неутронна звезда:
1. Скоростта на въртене: Когато неутронната звезда се завърти, каза Морсинк, светлото петно на нейната повърхност намигва към и се отдалечава от Земята, почти като лъча от кръговете на фара. Морсинк и нейните колеги могат внимателно да изучават данните на NICER, за да определят както точно колко пъти звездата намигва всеки момент, така и колко точно светлината се движи в пространството. А скоростта на движението на яркото петно е функция от скоростта на въртене на звездата и нейния радиус. Ако изследователите могат да разберат въртенето и скоростта, радиусът се определя сравнително лесно.
2. Леко огъване: Нейтронните звезди са толкова плътни, че NICER може да открие фотони от светлото петно на звездата, което изстреля в космоса, докато точката беше насочена далеч от Земята. Гравитационната ямка на неутронната звезда може да огъва светлината толкова рязко, че нейните фотони се обръщат към нея и се вписват в сензора на NICER. Скоростта на светлинна кривина също е функция на радиуса на звездата и нейната маса. И така, внимателно проучвайки колко звезда с известна светлина на кривата на маса, Морсинк и нейните колеги могат да разберат радиуса на звездата.
И изследователите са близо до обявяването на техните резултати, каза Морсинк. (Няколко физици по време на разговора й с APS изразиха леко разочарование, че не беше обявила конкретен номер и вълнение, че идва.)
Морсинк каза на Live Science, че не се опитва да дразни предстоящото съобщение. NICER просто не е събрал достатъчно фотони, за да може екипът да предложи добър отговор.
„Това е като да извадиш торта от фурната твърде рано: просто свършваш с каша“, каза тя.
Но фотоните пристигат, един по един, по време на месеците на периодичното изследване на NICER. И отговор се приближава. В момента екипът разглежда данни от J0437-4715 и следващата най-близка неутронна звезда на Земята, която е на около два пъти повече.
Морсинк каза, че не е сигурна кой радиус на неутронната звезда ще публикува тя и нейните колеги първо, но добави, че и двете съобщения ще дойдат в рамките на месеци.
„Целта е това да се случи по-късно това лято, където„ лятото “се използва в доста широк смисъл“, каза тя. "Но бих казал, че до септември трябва да имаме нещо."
