Paiet 512 gadi, lai augstas enerģijas fotons varētu ceļot no tuvākās neitronu zvaigznes uz Zemi. Tikai daži no viņiem dod ceļojumu. Bet viņi nes informāciju, kas nepieciešama, lai atrisinātu vienu no vissmagākajiem jautājumiem astrofizikā.
Fotoni enerģētiskā steigā izšaujas kosmosā. Karstā rentgena enerģijas staru kūlis plīst no niecīgās, ultradensiālās, vērpjošās supernovas paliekas virsmas. Sijas tranzītā izkliedējas ilgos gadsimtos. Bet reizi pa reizei viens rentgena gaismas punkts, kas kosmosā novirzīts 157 parsekus (512 gaismas gadus) - 32 miljoni reižu lielāks nekā attālums starp Zemi un sauli - tērējas pret Starptautiskās kosmosa stacijas (ISS) X -krāsains teleskops, kura nosaukums ir NICER. Tad lejā uz Zemes teksta fails ievada jaunu datu punktu: fotona enerģiju un tā ierašanās laiku, ko mēra ar mikrosekundi precizitāti.
Šis datu punkts kopā ar neskaitāmajiem citiem, piemēram, vairāku mēnešu laikā savāktajiem, atbildēs uz pamatjautājumu, tiklīdz 2018. gada vasarā: Cik plats ir J0437-4715, Zemes tuvākais neitronu zvaigžņu kaimiņš?
Ja pētnieki var izdomāt neitronu zvaigznes platumu, fiziķis Šarons Morsinks pastāstīja zinātnieku pūlim Amerikas Fizikālās biedrības (APS) 2018. gada aprīļa sanāksmē, ka šī informācija varētu norādīt ceļu uz viena no lielajiem daļiņu fizikas noslēpumiem risināšanu: Kā vai matērija uzvedas, kad tiek virzīta uz savām mežonīgākajām galējībām?
Ņemot vērā cilvēces pašreizējo tehnoloģiju, uz Zemes ir dažas stingras robežas, kā var iegūt blīvu vielu, pat ekstremālās laboratorijās, un vēl grūtāki ierobežojumi tam, cik ilgi zinātnieki izgatavo blīvākās vielas. Tas nozīmē, ka fiziķi nav spējuši izdomāt, kā daļiņas uzvedas galējā blīvumā. Vienkārši nav daudz labu eksperimentu.
"Ir virkne dažādu metodoloģiju, ar kurām cilvēki nāk klajā, lai mēģinātu pateikt, kā vajadzētu izturēties ar īpaši blīvu matēriju, bet viņi visi tam nepiekrīt," Morsinks, Alberta universitātes fiziķis un NASA darba grupas loceklis koncentrējoties uz neitronu zvaigžņu platumu, pastāstīja Live Science. "Un to, kā viņi visi nepiekrīt, faktiski var pārbaudīt, jo katrs no viņiem sniedz prognozi, cik liela var būt neitronu zvaigzne."
Citiem vārdiem sakot, ultradense vielas noslēpuma risinājums ir aizslēgts dažos Visuma blīvākajos objektos - neitronu zvaigznēs. Un zinātnieki var uzlauzt šo noslēpumu, tiklīdz viņi precīzi mēra, cik platas (un tāpēc blīvas) neitronu zvaigznes patiesībā ir.
Daļiņu fizika dziļā kosmosā
"Neitronu zvaigznes ir visneizcilākie objekti, par kuriem lielākā daļa cilvēku nekad nav dzirdējuši," NASA zinātnieks Zavens Arzoumanians sacīja fiziķiem sanāksmē Kolumbusā, Ohaio štatā.
Arzoumanians ir viens no NASA projekta Neutron Star Interjera kompozīciju pētnieka (NICER) vadītājiem, kurš veido Morsinka darba tehnisko bāzi. NICER ir liels, pagriežams teleskops, kas uzstādīts uz ISS; tas uzrauga un precīzi nosaka rentgena starus, kas no dziļas kosmosa nonāk zemas Zemes orbītas apgabalā.
Neitronu zvaigzne ir kodols, kas palicis pēc milzīga supernovas eksplozijas, taču tiek uzskatīts, ka tā nav daudz plašāka par vidēja lieluma pilsētu. Neitronu zvaigznes var griezties lielās gaismas ātruma daļās, ar precīzāku laika grafiku izstarojot mirgojošus rentgena enerģijas starus ar atomu pulksteņu atzīmi.
Un vissvarīgākais Morsink un viņas kolēģu vajadzībām - neitronzvaigznes ir vis blīvāk zināmie objekti Visumā, kas nav sabrukuši melnajos caurumos - taču atšķirībā no melnajiem caurumiem zinātniekiem ir iespējams izdomāt, kas notiek tajos. Astronomiem vienkārši precīzi jāzina, cik plašas ir neitronu zvaigznes, un NICER ir instruments, uz kuru beidzot vajadzētu atbildēt uz šo jautājumu.
Biezpiena zupa
Zinātnieki precīzi nezina, kā matērija uzvedas neitronu zvaigznes galējā kodolā, taču viņi pietiekami saprot, lai zinātu, ka tas ir ļoti dīvaini.
Edinburgas universitātes daļiņu fiziķis Daniels Vatsts APS konferencē atsevišķai auditorijai sacīja, ka neitronu zvaigznes iekšpuse būtībā ir ļoti liela jautājuma zīme.
Zinātniekiem ir daži lieliski neitronu zvaigžņu masu mērījumi. Piemēram, J0437-4715 masa ir apmēram 1,44 reizes lielāka nekā saules, neskatoties uz to, ka tā vairāk vai mazāk ir Manhetenas lejasdaļa. Tas nozīmē, Morsinks sacīja, ka J0437-4715 ir daudz blīvāks par atoma kodolu - līdz šim blīvākais objekts, ar kuru zinātnieki sastopas uz Zemes, kur lielākais atoma vielas daudzums sakrājas tikai niecīgā plankumā tā centrā.
Šādā blīvuma līmenī, skaidroja Vatsts, nepavisam nav skaidrs, kā matērija uzvedas. Kvarki, sīkās daļiņas, kas veido neitronus un protonus, kas veido atomus, pašas par sevi nevar brīvi eksistēt. Bet, kad matērija sasniedz ārkārtīgu blīvumu, kvarki varētu turpināt saistīties daļiņās, kas līdzīgas tām, kas atrodas uz Zemes, vai arī veidot lielākas, sarežģītākas daļiņas vai, iespējams, saplūst kopā vispārīgākā daļiņu zupā.
Tas, ko zinātnieki zina, Watts stāstīja Live Science, ir tas, ka detaļas par to, kā matērija uzvedas galējā blīvumā, noteiks tieši to, cik plašas neitronu zvaigznes patiesībā iegūst. Tātad, ja zinātnieki var nākt klajā ar precīziem neitronu zvaigžņu mērījumiem, viņi var sašaurināt iespēju klāstu, kā matērija uzvedas šajos ekstremālos apstākļos.
Un, atbildot uz šo jautājumu, Vats sacīja, ka varētu atbloķēt atbildes uz visdažādākajiem daļiņu fizikas noslēpumiem, kuriem nav nekā kopīga ar neitronu zvaigznēm. Piemēram, viņš teica, ka tas varētu palīdzēt atbildēt tikai uz to, kā atsevišķi neitroni sakārtojas ļoti smagu atomu kodolos.
NICER mērījumi prasa laiku
Tiek uzskatīts, ka vairums neitronu zvaigžņu ir Morsinka platums no aptuveni 12 līdz 17 jūdzēm (20 līdz 28 kilometriem), lai arī tās varētu būt tik šauras kā 10 jūdzes (16 km). Tas ir ļoti šaurs astronomijas diapazons, bet nav pietiekami precīzs, lai atbildētu uz jautājumiem, par kuriem Morsink un viņas kolēģi interesējas.
Lai virzītos uz vēl precīzākām atbildēm, Morsinka un viņas kolēģi pēta rentgenstarus, kas nāk no strauji vērpjošiem "karstajiem punktiem" uz neitronu zvaigznēm.
Lai arī neitronu zvaigznes ir neticami kompaktas sfēras, to magnētiskie lauki rada to nevienmērīgo enerģiju, kas nāk no to virsmām. Uz to virsmām veidojas spilgti pleķīši un sēņojas, riņķojot pa apli, zvaigznēm pagriežot vairākas reizes sekundē.
Tieši tur ienāk NICER. NICER ir liels, pagriežams teleskops, kas uzstādīts uz ISS un ar neticamu regularitāti var izstarot gaismu, kas nāk no šiem plāksteriem.
Tas ļauj Morsink un viņas kolēģiem izpētīt divas lietas, kas abas var palīdzēt viņiem izdomāt neitronu zvaigznes rādiusu:
1. Rotācijas ātrums: Kad neitronu zvaigzne griežas, sacīja Morsinks, spilgtais plankums uz tās virsmas virzās uz Zemes un prom no tās gandrīz kā stars no bākas pagrieziena riņķiem. Morsinka un viņas kolēģi var rūpīgi izpētīt NICER datus, lai noteiktu gan precīzi, cik reizes zvaigzne mirgo katru brīdi, gan arī to, cik ātri gaišā vieta pārvietojas pa kosmosu. Un gaišās vietas kustības ātrums ir zvaigznes rotācijas ātruma un tās rādiusa funkcija. Ja pētnieki var izdomāt rotāciju un ātrumu, rādiusu ir samērā viegli noteikt.
2. Viegls saliekums: Neitronu zvaigznes ir tik blīvas, ka NICER var atklāt fotonus no zvaigznes spožās vietas, kas izšauj kosmosā, kamēr plankums tika norādīts prom no Zemes. Neitronu zvaigznes gravitācijas aku var tik strauji saliekt gaismu, ka tās fotoni pagriežas pretī un iesūcas NICER sensorā. Gaismas izliekuma ātrums ir arī zvaigznes rādiusa un tās masas funkcija. Tātad, uzmanīgi izpētot, cik daudz izliekas zvaigzne ar zināmu masu, Morsinka un viņas kolēģi var izdomāt zvaigznes rādiusu.
Un pētnieki ir tuvu tam, lai paziņotu savus rezultātus, sacīja Morsinks. (Vairāki fiziķi viņas APS sarunā izteica nelielu vilšanos, ka viņa nebija paziņojusi konkrētu numuru, un satraukumu par to, ka tas nāk.)
Morsinks Live Science sacīja, ka viņa nemēģina ķircināt gaidāmo paziņojumu. NICER vienkārši vēl nav savācis pietiekami daudz fotonu, lai komanda piedāvātu labu atbildi.
"Tas ir tāpat kā pārāk agri izņemt kūku no krāsns: Jūs vienkārši noniecat putru," viņa sacīja.
Bet fotoni pa vienam ierodas NICER periodisko pētījumu mēnešu laikā. Un tuvojas atbilde. Pašlaik komanda meklē datus no J0437-4715 un Zemei tuvākās tuvākās neitronu zvaigznes, kas ir aptuveni divreiz tālāk.
Morsinka sacīja, ka nav pārliecināta, kuru neitronu zvaigznes rādiusu viņa un viņas kolēģi publicēs vispirms, taču viņa piebilda, ka abi paziņojumi tiks iesniegti dažu mēnešu laikā.
"Mērķis ir tas, lai tas notiktu vēlāk šovasar, kur" vasara "tiek izmantota diezgan plašā nozīmē," viņa sacīja. "Bet es teiktu, ka līdz septembrim mums vajadzētu kaut ko panākt."
