Коли велика зірка зазнає гравітаційного колапсу наприкінці свого терміну життя, часто це результат нейтронної зірки. Це те, що залишається після того, як зовнішні шари зірки підірвались під час масового вибуху (тобто наднової), і ядро стиснулося до надзвичайної щільності. Згодом швидкість обертання зірки значно збільшується, і там, де вони випромінюють пучки електромагнітного випромінювання, вони стають «пульсарами».
І ось через 50 років після того, як їх вперше виявив британський астрофізик Джоселін Белл, перша місія, присвячена вивченню цих об'єктів, вже збирається здійснити. Він відомий як Провідник внутрішніх композицій Neutron Star (NICER), експеримент із двох частин, який буде розгорнутий на Міжнародній космічній станції цього літа. Якщо все піде добре, ця платформа проллє світло на одну з найбільших астрономічних таємниць та випробує нові технології.
Астрономи майже століття вивчають нейтронні зірки, які дали дуже точні вимірювання їх маси і радіусів. Однак те, що насправді виявляється у внутрішній частині нейтронної зірки, залишається невпинною таємницею. Хоча були розроблені численні моделі, які описують фізику, що керує їх інтер'єром, досі незрозуміло, як би поводилася матерія в таких умовах.
Не дивно, адже нейтронні зірки зазвичай утримують приблизно в 1,4 рази більше маси нашого Сонця (або в 460 000 разів більше маси Землі) в обсязі простору, який є розміром міста. Такого роду ситуація, коли значна кількість речовини запаковується в дуже малий об'єм, що призводить до розбиття сили тяжіння та неймовірної щільності речовини - не спостерігається більше ніде у Всесвіті.
Як розповів Кіт Гендро, вчений Центру космічних польотів НАСА Годдарда, в недавній заяві прес-служби NASA:
«Характер матерії в цих умовах - це багаторічна невирішена проблема. Теорія розробила безліч моделей для опису фізики, що керує інтер'єрами нейтронних зірок. З NICER ми можемо остаточно перевірити ці теорії точними спостереженнями ».
NICE був розроблений НАСА Центром космічних польотів Годдарда за сприяння Массачусетського технологічного інституту (MIT), Військово-морської лабораторії та університетів США та Канади. Він складається з апарату розміру в холодильнику, який містить 56 рентгенівських телескопів і кремнієвих детекторів. Хоча спочатку його планували розгорнути наприкінці 2016 року, запуск вікна був доступний до цього року.
Після встановлення в якості зовнішнього корисного навантаження на МКС він збиратиме дані про нейтронні зірки (переважно пульсари) протягом 18-місячного періоду, спостерігаючи нейтронні зірки в рентгенівській смузі. Незважаючи на те, що ці зірки випромінюють випромінювання по всьому спектру, рентгенівські спостереження вважаються найбільш перспективними, коли мова йде про розкриття речей про їх структуру та різних високоенергетичних явищ, пов'язаних з ними.
Сюди входять землетруси, термоядерні вибухи та найпотужніші магнітні поля, відомі у Всесвіті. Для цього NICER збирає рентгенівські промені, що генеруються з магнітних полів цих магнітних полів та зір. Це важливо, оскільки саме на полюсах сила магнітних полів нейтронної зірки спричиняє захоплення частинок і дощ на поверхню, що виробляє рентгенівські промені.
У пульсарах саме ці інтенсивні магнітні поля змушують енергетичні частинки перетворюватися на цілеспрямовані промені випромінювання. Ці промені дають ім'я пульсарам, оскільки вони виглядають як спалахи завдяки обертанню зірки (надаючи їм зовнішній вигляд "маяка"). Як зауважили фізики, ці пульсації передбачувані, і тому їх можна використовувати так само, як атомні годинники та Глобальна система позиціонування тут на Землі.
Хоча головна мета NICER - це наука, вона також пропонує можливість випробувати нові форми технології. Наприклад, прилад буде використовуватися для проведення першої в історії демонстрації автономної рентгенівської навігації на основі пульсара. В рамках програми «Провідник станції для рентгенівських синхронізуючих та навігаційних технологій» (SEXTANT) команда використовуватиме телескопи NICER для виявлення рентгенівських променів, генерованих пульсарами, для оцінки часу приходу їх імпульсів.
Потім команда використовуватиме спеціально розроблені алгоритми для створення бортового навігаційного рішення. Надалі міжзоряні космічні кораблі теоретично можуть покластися на це, щоб обчислити їх місце розташування автономно. Це дозволить їм знайти свій шлях у космосі, не покладаючись на глибоку космічну мережу (DSN) НАСА, яка вважається найбільш чутливою телекомунікаційною системою у світі.
Крім навігації, проект NICER також сподівається провести перший в історії тест на життєздатність комунікацій на основі рентгенівських променів (XCOM). Використовуючи рентгенівські промені для надсилання та прийому даних (таким же чином, як ми використовуємо радіохвилі), космічні апарати могли передавати дані зі швидкістю гігабітів в секунду на міжпланетних відстанях. Така спроможність може революціонувати спосіб спілкування з екіпажами, роверами та орбітами.
Основним для обох демонстрацій є модульоване джерело рентгенівських променів (MXS), яке команда NICER розробила для калібрування детекторів корисного навантаження та тестування алгоритмів навігації. Створюючи рентгенівські промені з різною інтенсивністю (увімкнення та вимикання багато разів на секунду), цей прилад буде імітувати пульсації нейтронної зірки. Як пояснив Джендро:
"Це дуже цікавий експеримент, який ми робимо на космічній станції. Ми мали велику підтримку з боку наукових та космічних технологій у штаб-квартирі NASA. Вони допомогли нам просунути технології, які роблять можливим NICER, а також ті, які демонструє NICER. Місія палає слідами на декількох різних рівнях ».
Можна сподіватися, що MXS буде готовий до відправлення на станцію десь наступного року; в цей час можуть початися демонстрації навігації та зв'язку. І очікується, що до 25 липня, який відзначатиме 50-річчя відкриття Белла, команда зібере достатньо даних для представлення результатів на наукових конференціях, запланованих на кінець цього року.
У разі успіху NICER може змінити наше розуміння того, як поводяться нейтронні зірки (і як матерія веде себе у надто щільному стані). Ці знання також можуть допомогти нам зрозуміти інші космологічні таємниці, такі як чорні діри. Крім того, рентгенівські комунікації та навігація могли б зробити революцію у дослідженні космосу та подорожах, як ми це знаємо. Окрім забезпечення більшої віддачі від робототехнічних місій, розташованих ближче до дому, це також може забезпечити більш вигідні місії до місць зовнішньої Сонячної системи та навіть за її межами.
