Trvá 512 let, než se vysoce energetický foton dostane z nejbližší neutronové hvězdy na Zemi. Jen několik z nich se vydá na cestu. Nesou však informace potřebné k vyřešení jedné z nejtěžších otázek astrofyziky.
Fotony střílí do vesmíru v energetickém spěchu. Horké paprsky rentgenové energie vytryskly z povrchu drobného ultradense, které se točilo zbytkem supernovy. Paprsky se během průchodu rozptylují po dlouhá staletí. Ale jednou za čas se jediná tečka rentgenového světla, které prošlo 157 parseků (512 světelných let) vesmírem - 32 milionůkrát větší vzdálenost mezi Zemí a sluncem - utrácí proti XS Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) X -ray dalekohled, přezdívaný NICER. Poté, na Zemi, textový soubor vstoupí do nového bodu dat: energie fotonu a jeho čas příjezdu, měřeno s mikrosekundovou přesností.
Tento datový bod, spolu s bezpočtem dalších podobných, které byly shromážděny v průběhu měsíců, odpoví na základní otázku, jakmile bude léto 2018: Jak je široký J0437-4715, nejbližší soused neutronových hvězd na Zemi?
Pokud vědci dokáží zjistit šířku neutronové hvězdy, fyzik Sharon Morsink řekl davu vědců na setkání Americké fyzické společnosti (APS) v dubnu 2018, že tato informace by mohla ukázat cestu k vyřešení jedné z velkých tajemství fyziky částic: Jak chová se hmota, když je tlačena do svých nejdivočejších extrémů?
Na Zemi, vzhledem k existující technologii lidstva, existují určitá tvrdá omezení toho, jak se hustá hmota může dostat, a to i v extrémních laboratořích, a ještě tvrdší limity, jak dlouho mohou nejhustší hmota, kterou vědci dokážou přežít. To znamená, že fyzici nebyli schopni zjistit, jak se částice chovají při extrémních hustotách. Není k dispozici mnoho dobrých experimentů.
"Existuje celá řada různých metodik, se kterými se lidé snaží říci, jak by se super-hustá záležitost měla chovat, ale všichni se neshodují," Morsink, fyzik na University of Alberta a člen pracovní skupiny NASA zaměřil se na šířku neutronových hvězd, řekl Live Science. "A způsob, kterým se všichni neshodují, může být ve skutečnosti testován, protože každý z nich předpovídá, jak velká může být neutronová hvězda."
Jinými slovy, řešení tajemství ultradense hmoty je zamčeno uvnitř některých nejhustších objektů vesmíru - neutronových hvězd. A vědci mohou tuto záhadu rozbít, jakmile přesně měří, jak široké (a tedy husté) neutronové hvězdy jsou skutečně.
Fyzika částic v hlubokém vesmíru
„Neutronové hvězdy jsou nejodpornější předměty, o kterých většina lidí nikdy neslyšela,“ řekl vědec NASA Zaven Arzoumanian fyzikům na setkání v Ohio v Columbusu.
Arzoumanian je jednou z hlav projektu NASA Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), který tvoří technický základ pro Morsinkovu práci. NICER je velký, otočný dalekohled namontovaný na ISS; monitoruje a přesně měří rentgenové paprsky, které dorazí do oblasti nízké oběžné dráhy Země z hlubokého vesmíru.
Neutronová hvězda je jádro, které zůstalo po masivní explozi supernovy, ale věří se, že není o moc širší než středně velké město. Neutronové hvězdy se mohou otáčet při vysokých zlomcích rychlosti světla a střílet paprsky rentgenové energie do vesmíru s přesnějším načasováním, než je tikání atomových hodin.
A co je nejdůležitější pro účely Morsink a jejích kolegů, neutronové hvězdy jsou nejhustší známé objekty ve vesmíru, které se nezhroutily do černých děr - ale na rozdíl od černých děr je možné, aby vědci zjistili, co se v nich děje. Astronomové prostě potřebují vědět přesně, jak široké neutronové hvězdy skutečně jsou, a NICER je nástroj, který by měl na tuto otázku konečně odpovědět.
Tvarohová polévka
Vědci přesně nevědí, jak se hmota chová v extrémním jádru neutronové hvězdy, ale dostatečně rozumí tomu, aby věděli, že je to velmi zvláštní.
Daniel Watts, fyzik částic na University of Edinburgh, řekl zvláštnímu publiku na konferenci APS, že interiér neutronové hvězdy je v podstatě velkým otazníkem.
Vědci mají několik vynikajících měření hmot neutronových hvězd. Například hmotnost J0437-4715 je asi 1,44krát větší než hmotnost Slunce, přestože je víceméně velikost dolního Manhattanu. To znamená, Morsink řekl, že J0437-4715 je mnohem hustší než jádro atomu - zdaleka nejhustší předmět, na který se vědci setkávají na Zemi, kde se velká většina atomové hmoty shromažďuje v malém bodě ve svém středu.
Na té úrovni hustoty, vysvětlil Watts, není vůbec jasné, jak se hmota chová. Kvarky, malé částice, které tvoří neutrony a protony, které tvoří atomy, nemohou samy volně existovat. Ale když hmota dosáhne extrémní hustoty, kvarky by se mohly udržovat v vazbě na částice podobné těm na Zemi, nebo tvořit větší, složitější částice, nebo možná společně pohromadě tvořit obecnější částečkovou polévku.
Vědci vědí, řekl Watts Live Science, že podrobnosti o tom, jak se hmota chová při extrémních hustotách, určí, jak široké neutronové hvězdy se skutečně dostanou. Takže pokud vědci mohou přijít s přesným měřením neutronových hvězd, mohou zúžit rozsah možností, jak se hmota v těchto extrémních podmínkách chová.
A odpověděl na tuto otázku, řekl Watts, mohl odemknout odpovědi na všechny druhy záhad fyziky částic, které nemají nic společného s neutronovými hvězdami. Například řekl, že by to mohlo pomoci odpovědět, jak se jednotlivé neutrony uspořádají v jádrech velmi těžkých atomů.
NICER měření zabere čas
Podle Morsinku je většina neutronových hvězd široká mezi 20 a 28 kilometry, i když mohou být stejně úzké jako 16 km. To je velmi úzký rozsah z astronomického hlediska, ale není dostatečně přesný, aby odpověděl na druhy otázek, o které se Morsink a její kolegové zajímají.
Morsink a její kolegové studují rentgenové paprsky přicházející z rychle se točících „hotspotů“ na neutronových hvězdách, aby se snažily dosáhnout ještě přesnějších odpovědí.
Ačkoli neutronové hvězdy jsou neuvěřitelně kompaktní koule, jejich magnetická pole způsobují, že energie přicházející z jejich povrchů je poměrně nerovnoměrná. Na jejich povrchu se vytvářejí světlé skvrny a houby, které se bijí v kruzích, když se hvězdy otáčejí mnohokrát za sekundu.
To je místo, kde přichází NICER. NICER je velký, otočný dalekohled namontovaný na ISS, který dokáže časem vycházející světlo z těchto záplat s neuvěřitelnou pravidelností.
To umožňuje Morsink a jejím kolegům studovat dvě věci, které jim mohou pomoci zjistit poloměr neutronové hvězdy:
1. Rychlost otáčení: Když se neutronová hvězda točí, Morsink řekl, jasné místo na jeho povrchu mrklo směrem k Zemi a pryč od země téměř jako paprsek z kruhů majáku. Morsink a její kolegové mohou pečlivě studovat data NICER, aby určili jak přesně kolikrát hvězda mrkne v každém okamžiku, a také jak rychle se světlá skvrna pohybuje vesmírem. A rychlost pohybu jasného bodu je funkcí rychlosti rotace hvězdy a jejího poloměru. Pokud vědci dokáží zjistit rotaci a rychlost, je poloměr poměrně snadno určen.
2. Ohýbání světla: Neutronové hvězdy jsou tak husté, že NICER dokáže detekovat fotony z jasného bodu hvězdy, které vystřelily do vesmíru, zatímco místo směřovalo pryč od Země. Gravitační studna neutronové hvězdy může ohýbat světlo tak ostře, že se jeho fotony otáčejí směrem k senzoru NICER a plácnou do něj. Rychlost zakřivení světla je také funkcí poloměru hvězdy a její hmotnosti. Morsink a její kolegové tak mohou pečlivě studovat, jak moc hvězda se známým světelným hmotnostním křivkami zjistí její poloměr.
A vědci se blíží k oznamování svých výsledků, řekl Morsink. (Několik fyziků při svém rozhovoru s APS vyjádřilo určité lehké zklamání, že neohlásila konkrétní číslo, a nadšení, že se blíží.)
Morsink řekl Live Science, že se nesnaží dráždit nadcházející oznámení. NICER zatím nezískal dost fotonů, aby tým nabídl dobrou odpověď.
„Je to jako vytáhnout dort z trouby příliš brzy: Právě jsi skončil s nepořádkem,“ řekla.
Ale fotony přicházejí, jeden po druhém, během měsíčních period NICER. A odpověď se blíží. Právě teď se tým dívá na data z J0437-4715 a nejbližší nejbližší neutronovou hvězdu Země, která je asi dvakrát tak daleko.
Morsink řekla, že si není jistá, který poloměr neutronové hvězdy bude publikovat jako první, ale dodala, že obě oznámení dorazí během několika měsíců.
„Cílem je, aby k tomu došlo později v létě, kdy se léto používá v poměrně širokém smyslu,“ řekla. "Ale řekl bych, že do září bychom měli něco mít."
