Det tar 512 år for et foton med høy energi å reise fra nærmeste nøytronstjerne til Jorden. Bare noen få av dem tar turen. Men de har informasjonen som er nødvendig for å løse et av de tøffeste spørsmålene i astrofysikk.
Fotonene skyter ut i verdensrommet i et energisk sus. Varme stråler med røntgenenergi sprengte fra overflaten til den bittesmå, ultradense, spinnende rest av en supernova. Bjelkene sprer seg over lange århundrer i transitt. Men en gang i blant ekspanderer en enkelt prikk med røntgenlys som har reist 157 parsecs (512 lysår) over verdensrommet - 32 millioner ganger avstanden mellom Jorden og solen - mot den internasjonale romstasjonens (ISS) X -ray teleskop, kallenavnet NICER. Så, ned på jorden, kommer en tekstfil inn i et nytt datapunkt: fotonens energi og dens ankomsttid, målt med mikrosekunds nøyaktighet.
Dette datapunktet, sammen med utallige andre som det samlet inn i løpet av måneder, vil svare på et grunnleggende spørsmål så snart sommeren 2018: Hvor bredt er J0437-4715, Jordens nærmeste nøytronstjerne-nabo?
Hvis forskere kan finne ut bredden av en nøytronstjerne, sa fysiker Sharon Morsink til en mengde forskere på American Physical Society (APS) møte i april 2018, at informasjon kan peke veien for å løse et av de store mysteriene med partikkelfysikk: Hvordan oppfører saken seg når den skyves til de villeste ytterpunktene?
På jorden, gitt menneskehetens eksisterende teknologi, er det noen harde grenser for hvor tett materie kan bli, selv i ekstreme laboratorier, og enda hardere grenser for hvor lang tid den tetteste materien forskere lager kan overleve. Det er ment at fysikere ikke har klart å finne ut hvordan partikler oppfører seg ved ekstreme tettheter. Det er bare ikke mange gode eksperimenter tilgjengelig.
Morsink, en fysiker ved University of Alberta og medlem av en NASA-arbeidsgruppe, er en rekke forskjellige metodologier som folk kommer på for å prøve å si hvordan supertett materie skal oppføre seg, men de er ikke alle enige. fokusert på bredden av nøytronstjerner, fortalte Live Science. "Og måten de ikke alle er enige på, kan faktisk testes fordi hver og en av dem gir en prediksjon for hvor stor en nøytronstjerne kan være."
Med andre ord, løsningen på mysteriet med ultradense materie er låst inne i noen av universets tetteste objekter - nøytronstjerner. Og forskere kan knekke det mysteriet så snart de måler nøyaktig hvor brede (og derfor tette) nøytronstjerner virkelig er.
Partikkelfysikk i dype rom
"Neutronstjerner er de mest skandaløse gjenstandene som folk flest aldri har hørt om," sa forsker Zaven Arzoumanian fra NASA til fysikere på møtet i Columbus, Ohio.
Arzoumanian er en av lederne for NASAs prosjekt Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), som danner det tekniske grunnlaget for Morsinks arbeid. NICER er et stort, svingbart teleskop montert på ISS; den overvåker og nøyaktig ganger røntgenstrålene som ankommer området med lav jordbane fra det dype rom.
En nøytronstjerne er kjernen som etterlates etter en massiv supernovaeksplosjon, men den antas å ikke være mye bredere enn en mellomstor by. Neutronstjerner kan snurre seg med høye brøkdeler av lysets hastighet og skyte flimrende stråler av røntgenenergi ut i verdensrommet med mer presis timing enn tikkingen av atomur.
Og viktigst av hensyn til Morsink og hennes kolleger, er nøytronstjerner de tetteste kjente objektene i universet som ikke har kollapset i sorte hull - men i motsetning til med sorte hull, er det mulig for forskere å finne ut hva som foregår inni dem. Astronomer trenger bare å vite nøyaktig hvor brede nøytronstjerner egentlig er, og NICER er instrumentet som endelig skal svare på det spørsmålet.
Quark suppe
Forskere vet ikke nøyaktig hvordan materien oppfører seg i den ekstreme kjernen av en nøytronstjerne, men de forstår nok til å vite at det er veldig rart.
Daniel Watts, en partikkelfysiker ved University of Edinburgh, fortalte et eget publikum på APS-konferansen at interiøret i en nøytronstjerne egentlig er et stort stort spørsmålstegn.
Forskere har noen gode målinger av massene av nøytroner stjerner. Massen til J0437-4715 er for eksempel omtrent 1,44 ganger solskinnet, til tross for at den er mer eller mindre på størrelse med Nedre Manhattan. Det betyr, sa Morsink, at J0437-4715 er langt tettere enn kjernen til et atom - den desidert tetteste gjenstanden som forskere møter på jorden, der det store flertallet av et atoms materie samler seg i bare en liten flekk i sentrum.
På det tetthetsnivået, forklarte Watts, er det slett ikke klart hvordan materien oppfører seg. Kvarker, de bittesmå partiklene som utgjør nøytroner og protoner, som utgjør atomer, kan ikke eksistere fritt på egen hånd. Men når materien når ekstreme tettheter, kan kvarker fortsette å binde seg til partikler som ligner de på jorden, eller danne større, mer komplekse partikler, eller kanskje helt sammen i en mer generalisert partikelsuppe.
Det forskere vet, sa Watts til Live Science, er at detaljene om hvordan materie oppfører seg i ekstreme tettheter vil avgjøre hvor brede nøytronstjerner faktisk blir. Så hvis forskere kan komme med presise målinger av nøytronstjerner, kan de begrense spekteret av muligheter for hvordan materie oppfører seg under disse ekstreme forhold.
Og å svare på dette spørsmålet, sa Watts, kunne låse opp svar på alle slags partikkel-fysikk-mysterier som ikke har noe med nøytronstjerner å gjøre. For eksempel, sa han, kan det hjelpe å svare på hvordan individuelle nøytroner ordner seg i kjernen til veldig tunge atomer.
NICER-målinger tar tid
Morsink sa at de fleste nøytronstjerner er mellom 20 og 28 kilometer brede, men de kan være så smale som 16 km. Det er et veldig smalt spekter i astronomiske termer, men ikke helt presis nok til å svare på spørsmålene Morsink og hennes kolleger er interessert i.
For å presse mot enda mer presise svar, studerer Morsink og hennes kolleger røntgenbilder som kommer fra hurtigspinnende "hotspots" på nøytronstjerner.
Selv om nøytronstjerner er utrolig kompakte sfærer, fører magnetfeltene til at energien som kommer ut av overflatene deres er ganske ujevn. Lyse flekker dannes og sopp på overflatene deres, og pisker rundt i sirkler mens stjernene snur seg mange ganger i sekundet.
Det er her NICER kommer inn. NICER er et stort, svingbart teleskop montert på ISS som kan gi tid til lyset fra de lappene med utrolig regelmessighet.
Dette gjør det mulig for Morsink og hennes kolleger å studere to ting, som begge kan hjelpe dem med å finne ut en radius av en nøytronstjerne:
1. Rotasjonshastigheten: Når nøytronstjernen snurrer, sa Morsink, blinker lyspunktet på overflaten mot og bort fra Jorden nesten som bjelken fra et fyr som vender sirkler. Morsink og hennes kolleger kan nøye studere NICER-data for å bestemme både nøyaktig hvor mange ganger stjernen blinker hvert øyeblikk, og nøyaktig hvor raskt lyspunktet beveger seg gjennom verdensrommet. Og hastigheten på lyspunktets bevegelse er en funksjon av stjernens rotasjonshastighet og dens radius. Hvis forskere kan finne ut rotasjonen og hastigheten, er radius relativt enkel å bestemme.
2. Lett bøyning: Neutronstjerner er så tette at NICER kan oppdage fotoner fra stjernens lyspunkt som fyrte ut i rommet mens stedet ble pekt bort fra Jorden. En nøytronstjernens tyngdekraftbrønn kan bøye lyset så skarpt at fotonene vender mot og smatter inn i NICERs sensor. Hastigheten av lyskurving er også en funksjon av stjernens radius og dens masse. Så ved å nøye studere hvor mye en stjerne med en kjent masse kurver lys, kan Morsink og hennes kolleger finne ut stjernens radius.
Og forskerne er i nærheten av å kunngjøre resultatene sine, sa Morsink. (Flere fysikere ved APS-talen hennes uttrykte en viss skuffelse over at hun ikke hadde kunngjort et spesifikt nummer, og spenning over at det kom.)
Morsink fortalte Live Science at hun ikke prøvde å erte den kommende kunngjøringen. NICER har bare ikke samlet nok fotoner ennå til at teamet kan tilby et godt svar.
"Det er som å ta en kake ut av ovnen for tidlig: Du ender bare med et rot," sa hun.
Men fotonene ankommer, en etter en, i løpet av NICERs månedlige periodiske studier. Og et svar er å komme nær. Akkurat nå ser teamet på data fra J0437-4715 og Jordens neste nærmeste nøytronstjerne, som er omtrent dobbelt så langt unna.
Morsink sa at hun ikke er sikker på hvilken nøytronstjerners radius hun og kollegene først vil publisere, men hun la til at begge kunngjøringer kommer innen måneder.
"Målet er at dette skal skje senere i sommer, der 'sommeren' blir brukt i ganske bred forstand," sa hun. "Men jeg vil si at innen september burde vi ha noe."
