512 років потрібно, щоб фотон з високою енергією подорожував від найближчої нейтронної зірки до Землі. Лише деякі з них здійснюють подорож. Але вони несуть інформацію, необхідну для вирішення одного з найскладніших питань астрофізики.
Фотони стріляють у космос енергійним поспіхом. Гарячі промені рентгенівської енергії вириваються з поверхні крихітного, ультрагустого, обертового залишку наднової. Промені розходяться довгими століттями в дорозі. Але раз у раз одна точка рентгенівського світла, яка проїхала 157 парсек (512 світлових років) по космосу - в 32 мільйони разів більше відстані між Землею та Сонцем - витрачається проти X Міжнародної космічної станції (МКС) X телескоп, прозваний NICER. Потім, вниз на Землю, текстовий файл вводить нову точку даних: енергію фотона та час його прибуття, виміряну з мікросекундною точністю.
Цей пункт даних, а також незліченну кількість таких, як його збирали протягом місяців, дадуть відповідь на основне питання, як тільки влітку 2018 року: Наскільки широкий J0437-4715, найближчий сусід Землі з нейтронних зірок?
Якщо дослідники зможуть визначити ширину нейтронної зірки, фізик Шарон Морсінк заявив натовпу вчених на засіданні Американського фізичного товариства (APS) у квітні 2018 року, що ця інформація може вказувати шлях до розв'язання однієї з великих таємниць фізики частинок: як чи поводиться матерія, коли її підштовхують до найсміливіших крайнощів?
На Землі, враховуючи існуючу технологію людства, існують деякі жорсткі межі щодо того, наскільки щільна речовина може дістатись, навіть в екстремальних лабораторіях, і ще більш жорсткі обмеження щодо того, як довго може вижити найгустіша речовина. Це означало, що фізики не змогли зрозуміти, як поводяться частинки при надзвичайній щільності. Просто не так багато хороших експериментів.
"Існує ряд різних методологій, які люди придумують сказати, як повинна вести себе надмірна речовина, але вони не всі згодні", - Морсінк, фізик з університету Альберти та член робочої групи NASA зосереджена на ширині нейтронних зірок, розповіла Live Science. "І спосіб, з яким вони не всі згодні, насправді може бути перевірений, оскільки кожен з них робить передбачення наскільки великою може бути нейтронна зірка".
Іншими словами, розв’язання таємниці ультрагустої речовини замикається всередині деяких найгустіших об'єктів Всесвіту - нейтронних зірок. І вчені можуть розламати цю таємницю, як тільки вони точно виміряють, наскільки насправді є широкі (і, отже, щільні) нейтронні зірки.
Фізика частинок у глибокому космосі
"Нейтронні зірки - це найвиразніші об'єкти, про які більшість людей ніколи не чули", - сказав вчений НАСА Завен Арзуманян фізикам на зустрічі в Колумбусі, штат Огайо.
Арзуманян - один із керівників проекту NASA Neutron Star Internal Composition Explorer (NICER), який є технічною основою для роботи Морсинка. NICER - великий обертовий телескоп, встановлений на МКС; він стежить і точно розміщує рентгенівські промені, які надходять в область низької орбіти Землі з глибокого космосу.
Нейтронна зірка - ядро, що залишилося після масового вибуху наднової, але, як вважається, воно не набагато ширше середнього міста. Нейтронні зірки можуть обертатися з високою часткою швидкості світла, вистрілюючи мерехтливі промені рентгенівської енергії в космос з більш точним моментом часу, ніж тикання атомних годин.
І головне, що стосується Морсинк та її колег, нейтронні зірки - це найгустіші відомі об’єкти у Всесвіті, які не розвалилися на чорні діри, але на відміну від чорних дір, вчені можуть зрозуміти, що відбувається всередині них. Астрономам просто потрібно точно знати, наскільки насправді є широкі нейтронні зірки, і NICER - це інструмент, який нарешті повинен відповісти на це питання.
Кварк суп
Вчені точно не знають, як поводиться матерія в крайньому ядрі нейтронної зірки, але вони достатньо розуміють, щоб знати, що це дуже дивно.
Даніель Уоттс, фізик частинок з Едінбургського університету, розповів окремій аудиторії на конференції APS, що інтер'єр нейтронної зірки є, по суті, великим великим питанням.
Вчені мають відмінні вимірювання маси нейтронів зірок. Наприклад, маса J0437-4715 приблизно в 1,44 рази перевищує масу сонця, незважаючи на те, що розмір Нижнього Манхеттена більший чи менший. Це означає, сказав Морсінк, що J0437-4715 набагато щільніше, ніж ядро атома - на сьогоднішній день найгустіший об'єкт, з яким стикаються вчені на Землі, де переважна більшість речовини атома збирається лише у крихітній цяточці в центрі.
На такому рівні щільності, пояснив Ваттс, зовсім не ясно, як поводиться матерія. Кварки, крихітні частинки, що утворюють нейтрони та протони, що складають атоми, не можуть вільно існувати самостійно. Але коли матерія досягає надзвичайної щільності, кварки можуть продовжувати зв'язуватися з частинками, схожими на ті, що є на Землі, або утворювати більші, складніші частинки, або, можливо, цілком збиратися разом у більш узагальнений суп з частинок.
Те, що відомо вченим, розповів Уоттс Live Science, що деталі того, як поводиться матерія при надзвичайній щільності, визначатимуть, наскільки насправді отримують широкі нейтронні зірки. Тож якщо вчені зможуть придумати точні вимірювання нейтронних зірок, вони можуть звузити коло можливостей того, як поводиться матерія в тих екстремальних умовах.
І відповівши на це запитання, сказав Уоттс, міг би розблокувати відповіді на всілякі таємниці фізики частинок, які не мають нічого спільного з нейтронними зірками. Наприклад, за його словами, це може допомогти відповісти, як окремі нейтрони розташовуються в ядрах дуже важких атомів.
Вимірювання NICER потребують часу
Вважається, що більшість нейтронних зірок, як вважається Морсінк, мають ширину приблизно 20 миль (28 і 28 кілометрів), хоча вони можуть бути вузькими, як 10 миль (16 км). Це дуже вузький діапазон з точки зору астрономії, але недостатньо точний, щоб відповісти на питання, які цікавлять Морсинк та її колег.
Щоб домогтися ще більш точних відповідей, Морсинк та її колеги вивчають рентгенівські промені, що надходять від швидко обертаються "гарячих точок" на нейтронних зірках.
Хоча нейтронні зірки неймовірно компактні сфери, їх магнітні поля призводять до того, що енергія, що відходить від їх поверхні, є досить нерівною. Яскраві плями утворюються та грибочки на їхніх поверхнях, колупаючись по колах, коли зірки крутяться багато разів на секунду.
Ось тут і приходить NICER. NICER - це великий, обертовий телескоп, встановлений на МКС, який може випромінювати світло від цих патчів з неймовірною регулярністю.
Це дозволяє Морсинку та її колегам вивчити дві речі, які можуть допомогти їм зрозуміти радіус нейтронної зірки:
1. Швидкість обертання: Коли нейтронна зірка крутиться, сказав Морсінк, яскрава пляма на її поверхні підморгує до Землі та віддаляється від неї майже як промінь від кругових кругів маяка. Морсинк та її колеги можуть уважно вивчити дані NICER, щоб визначити, як саме, скільки разів підморгує зірка щоразу, і як швидко рухається яскрава пляма через космос. А швидкість руху яскравої плями - це функція швидкості обертання зірки та її радіуса. Якщо дослідники можуть з’ясувати обертання та швидкість, радіус визначити порівняно легко.
2. Легке згинання: Нейтронні зірки настільки щільні, що NICER може виявити фотони зі світлого плями зірки, яке вистрілило у космос, поки ця пляма була спрямована подалі від Землі. Гравітаційне колодязь нейтронної зірки може нахиляти світло так різко, що його фотони повертаються у бік датчика NICER. Швидкість викривлення світла також є функцією радіуса зірки та її маси. Отже, уважно вивчивши, скільки зірки з відомою масовою кривою світлом, Морсинк та її колеги можуть визначити радіус зірки.
І дослідники близькі до оголошення своїх результатів, заявив Морсинк. (Кілька фізиків під час її розмови про APS висловили деяке легке розчарування, що вона не оголосила конкретного числа, і хвилюється, що вона наближається.)
Морсинк сказала Live Science, що не намагається дражнити майбутнє оголошення. NICER просто не зібрав достатньо фотонів, щоб команда запропонувала хорошу відповідь.
"Це як вийняти торт із духовки занадто рано: ви просто закінчите безлад", - сказала вона.
Але фотони надходять по черзі протягом місяців періодичного вивчення NICER. І відповідь наближається. Наразі команда розглядає дані J0437-4715 і наступну найближчу нейтронну зірку Землі, яка знаходиться приблизно вдвічі.
Морсинк сказала, що не впевнена, який радіус нейтронної зірки вона та її колеги опублікують першими, але вона додала, що обидва повідомлення надійдуть протягом місяців.
"Мета полягає в тому, щоб це відбулося пізніше цього літа, де" літо "використовується в досить широкому сенсі", - сказала вона. "Але я б сказав, що до вересня ми повинні мати щось".
