Kad liela zvaigzne piedzīvo gravitācijas sabrukumu tās kalpošanas laika beigās, rezultāts bieži ir neitronu zvaigzne. Tas paliek pēc tam, kad zvaigznes ārējie slāņi ir izpūsti masīvā sprādzienā (t.i., supernova) un kodols ir saspiests līdz galējam blīvumam. Pēc tam zvaigznes rotācijas ātrums ievērojami palielinās, un tur, kur tās izstaro elektromagnētiskā starojuma starus, tās kļūst par “pulsāriem”.
Un tagad, 50 gadus pēc tam, kad tos pirmo reizi atklāja britu astrofiziķis Jocelyn Bell, drīz tiks uzstādīta pirmā misija, kas veltīta šo objektu izpētei. Tas ir pazīstams kā neitronu zvaigžņu interjera kompozīcijas pētnieks (NICER) - divu daļu eksperiments, kas šovasar tiks izvietots Starptautiskajā kosmosa stacijā. Ja viss noritēs labi, šī platforma parādīs informāciju par vienu no lielākajiem astronomiskajiem noslēpumiem un izmēģinās jaunās tehnoloģijas.
Astronomi gandrīz gadsimta garumā ir pētījuši neitronu zvaigznes, kas devuši dažus ļoti precīzus to masu un rādiusu mērījumus. Tomēr tas, kas patiesībā atklājas neitronu zvaigznes iekšpusē, paliek paliekošs noslēpums. Kaut arī ir izstrādāti daudzi modeļi, kas raksturo fiziku, kas pārvalda viņu interjeru, joprojām nav skaidrs, kā matērija izturētos šāda veida apstākļos.
Nav pārsteidzoši, jo neitronu zvaigznes parasti aptuveni 1,4 reizes pārsniedz mūsu Saules masu (vai 460 000 reizes virs Zemes masas) kosmosa tilpumā, kas ir pilsētas lielums. Šāda veida situācija, kad ievērojams daudzums vielas tiek iesaiņota ļoti mazā tilpumā - kā rezultātā notiek drupināšanas smagums un neticami matērijas blīvums -, nav redzama nekur citur Visumā.
Kā nesenā NASA preses paziņojumā paskaidroja NASA Goddard kosmosa lidojumu centra zinātniece Keita Gendreau:
Matērijas būtība šajos apstākļos ir gadu desmitiem sena neatrisināta problēma. Teorija ir izstrādājusi virkni modeļu, lai aprakstītu fiziku, kas regulē neitronu zvaigžņu interjeru. Izmantojot NICER, mēs beidzot varam pārbaudīt šīs teorijas ar precīziem novērojumiem. ”
NICE izstrādāja NASA Goddard kosmisko lidojumu centrs ar Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta (MIT), Jūras pētniecības laboratorijas un universitāšu palīdzību visā ASV un Kanādā. Tas sastāv no ledusskapja izmēra aparāta, kurā ir 56 rentgena teleskopi un silīcija detektori. Lai arī sākotnēji to bija paredzēts izvietot 2016. gada beigās, palaišanas logs kļuva pieejams tikai šogad.
Kad tā ir uzstādīta kā ārēja krava uz ISS, tā 18 mēnešu laikā apkopos datus par neitronu zvaigznēm (galvenokārt pulsāriem), novērojot neitronu zvaigznes rentgena joslā. Kaut arī šīs zvaigznes izstaro radiāciju visā spektrā, tiek uzskatīts, ka rentgenstaru novērojumi ir visdaudzsološākie, kad atklāj lietas par to struktūru un dažādām ar tām saistītām augstas enerģijas parādībām.
Tajos ietilpst zemestrīces, kodoltermiskie sprādzieni un visspēcīgākie Visumā zināmie magnētiskie lauki. Lai to izdarītu, NICER savāc rentgenstarus, kas ģenerēti no šo zvaigžņu magnētiskajiem laukiem un magnētiskajiem poliem. Tas ir galvenais, jo tieši pie poliem neitronu zvaigznes magnētiskā lauka spēks izraisa daļiņu iesprūšanu un nokrišņus uz virsmas, kas rada rentgena starus.
Pulsāros tieši šie intensīvie magnētiskie lauki izraisa enerģētiskās daļiņas par koncentrētām starojuma stariem. Šīs staru lampas piešķir vārdu, jo, pateicoties zvaigznes rotācijai, tās izskatās kā zibspuldzes (piešķirot tām “bākas” līdzīgo izskatu). Kā novērojuši fiziķi, šī pulsācija ir paredzama, un tāpēc to var izmantot tāpat kā atomu pulksteņi un Globālā pozicionēšanas sistēma šeit.
Lai gan NICER galvenais mērķis ir zinātne, tas piedāvā arī iespēju izmēģināt jaunas tehnoloģijas formas. Piemēram, instrumentu izmantos, lai pirmo reizi demonstrētu autonomu rentgenstaru pulsatora navigāciju. Kā daļu no rentgena laika noteikšanas un navigācijas tehnoloģijas Station Explorer (SEXTANT), komanda izmantos NICER teleskopus, lai noteiktu pulsatora ģenerētos rentgena starus, lai novērtētu viņu impulsu ierašanās laikus.
Pēc tam komanda izmantos īpaši izstrādātus algoritmus, lai izveidotu borta navigācijas risinājumu. Nākotnē starpzvaigžņu kosmosa kuģi teorētiski varētu paļauties uz to, lai autonomi aprēķinātu to atrašanās vietu. Tas ļauj viņiem atrast ceļu kosmosā, nepaļaujoties uz NASA Deep Space Network (DSN), kas tiek uzskatīta par jutīgāko telekomunikāciju sistēmu pasaulē.
Papildus navigācijai NICER projekts cer arī veikt pirmo reizi pārbaudīto rentgenstaro sakaru (XCOM) dzīvotspēju. Izmantojot rentgena starus datu nosūtīšanai un saņemšanai (tādā pašā veidā kā mēs šobrīd izmantojam radioviļņus), kosmosa kuģi varētu pārraidīt datus ar ātrumu gigabiti sekundē starpplānu starpposmos. Šāda jauda varētu mainīt revolūciju, kādā mēs sazināmies ar apkalpoto misiju pārstāvjiem, roveriem un orbiteriem.
Abu demonstrāciju centrā ir modulētais rentgenstaru avots (MXS), kuru NICER komanda izstrādāja, lai kalibrētu kravas kravas detektorus un pārbaudītu navigācijas algoritmus. Ģenerējot rentgenstarus ar strauji mainīgu intensitāti (ieslēdzot un izslēdzot vairākas reizes sekundē), šī ierīce simulēs neitronu zvaigznes pulsāciju. Kā paskaidroja Gendreau:
“Šis ir ļoti interesants eksperiments, ko mēs veicam kosmiskajā stacijā. Mēs esam guvuši ļoti lielu atbalstu no zinātnes un kosmosa tehnoloģiju ļaudīm NASA mītnē. Viņi ir palīdzējuši mums attīstīt tehnoloģijas, kas padara NICER iespējamu, kā arī tās, kuras NICER demonstrēs. Misija ir degošas takas vairākos dažādos līmeņos. ”
Ir cerība, ka MXS būs gatavs nosūtīt uz staciju kaut kad nākamajā gadā; kurā laikā varētu sākties navigācijas un sakaru demonstrācijas. Paredzams, ka pirms 25. jūlija, kas atzīmēs Bellas atklāšanas 50. gadadienu, komanda būs savākusi pietiekami daudz datu, lai atklājumus iepazīstinātu zinātniskajās konferencēs, kas plānotas šī gada vēlāk.
Ja tas izdosies, NICER varētu mainīt mūsu izpratni par to, kā uzvedas neitronu zvaigznes (un kā viela uzvedas superblīvā stāvoklī). Šīs zināšanas varētu mums palīdzēt arī izprast citus kosmoloģiskus noslēpumus, piemēram, melnos caurumus. Turklāt rentgenstaru sakari un navigācija varētu radīt revolūciju kosmosa izpētē un ceļošanā, kā mēs to zinām. Papildus lielākam ienesīgumam no robotizētajām misijām, kas atrodas tuvāk mājām, tas varētu dot iespēju arī ienesīgākiem komandējumiem uz vietām ārējā Saules sistēmā un pat ārpus tās.
