Este nevoie de 512 ani pentru ca un foton cu energie mare să călătorească de la cea mai apropiată stea de neutroni pe Pământ. Doar câțiva dintre ei fac călătoria. Ele poartă însă informațiile necesare pentru a rezolva una dintre cele mai dificile întrebări în astrofizică.
Fotonii trag în spațiu într-o grabă energică. Fasciculele fierbinți de energie cu raze X izbesc de pe suprafața rămășiței minuscule, ultradense, care se învârte dintr-o supernovă. Grinzile se împrăștie pe secole îndelungate în tranzit. Dar, din când în când, un singur punct de lumină cu raze X, care a parcurs 157 parsecs (512 ani-lumină) prin spațiu - de 32 de milioane de ori distanța dintre Pământ și Soare - se cheltuiește împotriva stației spațiale internaționale (ISS) X -trascop telescop, poreclit NICER. Apoi, jos, pe Pământ, un fișier text introduce un nou punct de date: energia fotonului și timpul său de sosire, măsurate cu precizie la microsecunde.
Acest punct de date, împreună cu nenumărate altele ca acestea colectate de-a lungul lunilor, vor răspunde la o întrebare de bază încă din vara anului 2018: Cât de larg este J0437-4715, cel mai apropiat vecin cu stele neutronice ale Pământului?
Dacă cercetătorii pot descoperi lățimea unei stele cu neutroni, fizicianul Sharon Morsink a declarat unei mulțimi de oameni de știință la întâlnirea American Physical Society (APS) din aprilie 2018, că informațiile ar putea indica calea către rezolvarea unuia dintre marile mistere ale fizicii particulelor: Cum se comportă materia atunci când este împinsă la extremele sale cele mai sălbatice?
Pe Pământ, având în vedere tehnologia existentă a umanității, există câteva limite grele cu privire la modul în care poate ajunge materia densă, chiar și în laboratoarele extreme, și chiar și limite mai grele pentru cât timp poate supraviețui cea mai densă materie a oamenilor de știință. Asta înseamnă că fizicienii nu au reușit să-și dea seama cum se comportă particulele la densități extreme. Doar nu sunt disponibile multe experimente bune.
"Există o serie de metodologii diferite cu care oamenii vin pentru a încerca să spună cum trebuie să se comporte materia super-densă, dar nu sunt de acord cu toți", Morsink, fizician la Universitatea din Alberta și membru al unui grup de lucru NASA axat pe lățimea stelelor de neutroni, a spus Live Science. „Și modul în care nu sunt de acord cu toții poate fi testat, deoarece fiecare dintre ele face o predicție pentru cât de mare poate fi o stea cu neutroni.”
Cu alte cuvinte, soluția la misterul materiei ultradense este închisă în interiorul unora dintre cele mai dense obiecte ale universului - stelele neutronice. Și oamenii de știință pot crăpa misterul de îndată ce măsoară exact cât de largi (și, prin urmare, dense) sunt stele neutronice.
Fizica particulelor în spațiul profund
"Stelele neutronice sunt cele mai scârbitoare obiecte despre care majoritatea oamenilor nu au auzit niciodată", a spus oamenii de știință NASA, Zaven Arzoumanian, fizicienilor la întâlnirea din Columbus, Ohio.
Arzoumanian este unul dintre șefii proiectului NASA Neutron Star Composition Explorer (NICER), care constituie baza tehnică pentru activitatea lui Morsink. NICER este un telescop mare, pivotant, montat pe ISS; monitorizează și precizează raze X care ajung în zona orbitei terestre mici din spațiul profund.
O stea de neutroni este nucleul rămas în urma unei explozii masive de supernove, dar se crede că nu este cu mult mai largă decât un oraș mijlociu. Stelele neutronice se pot roti cu fracții mari ale vitezei luminii, trăgând fascicule strălucitoare de energie de raze X în spațiu cu o sincronizare mai precisă decât marcarea ceasurilor atomice.
Și cel mai important pentru scopurile lui Morsink și colegii ei, stelele neutronice sunt cele mai dense obiecte cunoscute din univers care nu s-au prăbușit în găuri negre - dar spre deosebire de găurile negre, este posibil ca oamenii de știință să își dea seama ce se întâmplă în interiorul lor. Astronomii trebuie doar să știe cu exactitate cât de mari sunt stelele neutronice, iar NICER este instrumentul care ar trebui să răspundă în sfârșit la această întrebare.
Supa Quark
Oamenii de știință nu știu exact cum se comportă materia în miezul extrem al unei stele cu neutroni, dar înțeleg suficient pentru a ști că este foarte ciudat.
Daniel Watts, fizician în particule de la Universitatea din Edinburgh, a declarat unei audiențe separate la conferința APS că interiorul unei stele cu neutroni este în esență un mare semn de întrebare.
Oamenii de știință au unele măsurători excelente ale maselor de stele cu neutroni. Masa de J0437-4715, de exemplu, este de aproximativ 1,44 ori mai mare decât cea a soarelui, în ciuda faptului că este mai mult sau mai puțin dimensiunea Manhattanului de Jos. Asta înseamnă, a spus Morsink, că J0437-4715 este mult mai dens decât nucleul unui atom - de departe cel mai dens obiect pe care oamenii de știință îl întâlnesc pe Pământ, unde marea majoritate a materiei unui atom se adună într-o mică mică speță în centrul său.
La acel nivel de densitate, a explicat Watts, nu este deloc clar cum se comportă materia. Quark-urile, particulele minuscule care alcătuiesc neutroni și protoni, care alcătuiesc atomii, nu pot exista liber de la sine. Dar atunci când materia atinge densități extreme, quark-urile pot continua să se lege în particule similare cu cele de pe Pământ sau să formeze particule mai mari, mai complexe sau, poate, să se îmbine în întregime într-o supă de particule mai generalizată.
Ceea ce știu oamenii de știință, a spus Watts la Live Science, este că detaliile modului în care se comportă materia la densități extreme vor determina exact cât de multe stele de neutroni ajung. Deci, dacă oamenii de știință pot veni cu măsurători precise ale stelelor cu neutroni, pot restrânge gama de posibilități pentru comportamentul materiei în acele condiții extreme.
Și răspunzând la această întrebare, Watts a spus, ar putea debloca răspunsuri la tot felul de mistere ale fizicii particulelor care nu au nicio legătură cu stelele neutronice. De exemplu, a spus el, ar putea ajuta la răspunsul la modul în care neutronii individuali se aranjează în nucleele atomilor foarte grei.
Măsurătorile NICER au timp
Cele mai multe stele cu neutroni, a spus Morsink, sunt considerate a fi cuprinse între aproximativ 12 și 17 mile (20 și 28 kilometri) lățime, deși ar putea fi la fel de înguste ca 16 km. Aceasta este o gamă foarte restrânsă din punct de vedere astronomic, dar nu suficient de precisă pentru a răspunde tipurilor de întrebări pe care le interesează Morsink și colegii ei.
Pentru a face presiuni către răspunsuri și mai precise, Morsink și colegii ei studiază razele X provenind de la „filanți” învârtiți rapid pe stelele cu neutroni.
Deși stelele neutronice sunt sfere incredibil de compacte, câmpurile lor magnetice determină energia care iese de pe suprafețele lor să fie destul de neuniformă. Petele luminoase se formează și ciuperca pe suprafețele lor, biciuind în cercuri în timp ce stelele se transformă de multe ori pe secundă.
De aici intră NICER. NICER este un telescop mare, pivotant, montat pe ISS, care poate face ca lumina să vină de pe aceste plasturi cu o regularitate incredibilă.
Acest lucru le permite lui Morsink și colegilor săi să studieze două lucruri, ambele putându-i ajuta să își dea seama de raza unei stele neutronice:
1. Viteza de rotație: Când steaua cu neutroni se învârte, a spus Morsink, locul luminos de pe suprafața sa se aruncă cu ochiul spre Pământ, aproape ca raza de la un cerc care se transformă. Morsink și colegii ei pot studia cu atenție datele NICER pentru a determina atât de câte ori steaua clipește în fiecare moment, cât și cât de repede punctul luminos se mișcă prin spațiu. Iar viteza mișcării punctului luminos este o funcție a vitezei de rotație a stelei și a razei sale. Dacă cercetătorii pot descoperi rotirea și viteza, raza este relativ ușor de determinat.
2. Curbarea ușoară: Stelele neutronice sunt atât de dense încât NICER poate detecta fotoni din locul luminos al stelei care a tras în spațiu în timp ce locul a fost îndreptat departe de Pământ. Gravitatea unei stele cu neutroni poate îndoi lumina atât de accentuat încât fotonii săi se îndreaptă spre și se aruncă în senzorul NICER. Viteza de curbură a luminii este, de asemenea, o funcție a razei stelei și a masei sale. Așadar, studiind cu atenție cât de mult se stinge lumina unei stele cu o masă cunoscută, Morsink și colegii ei pot descoperi raza stelei.
Și cercetătorii sunt aproape să își anunțe rezultatele, a spus Morsink. (Câțiva fizicieni la discuția APS au exprimat o ușoară dezamăgire că nu anunțase un număr specific și au emoționat că va veni.)
Morsink a spus Live Science că nu încerca să tachineze următorul anunț. NICER nu a strâns încă suficienți fotoni încă pentru ca echipa să ofere un răspuns bun.
„Este ca și cum ai scoate un tort din cuptor prea devreme: ai sfârșit doar cu o mizerie”, a spus ea.
Dar fotonii ajung, unul câte unul, în lunile de studiu periodice ale NICER. Și un răspuns se apropie. În acest moment, echipa se uită la datele din J0437-4715 și la cea mai apropiată stea neutronică a Pământului, care se află la aproximativ două ori mai departe.
Morsink a spus că nu este sigură care rază de stele neutronice va publica ea și colegii săi, dar a adăugat că ambele anunțuri vor veni în câteva luni.
"Scopul este ca acest lucru să se întâmple mai târziu în această vară, unde" vara "este folosită într-un sens destul de larg", a spus ea. "Dar aș spune că până în septembrie, ar trebui să avem ceva."
