Potrebne su 512 godine da visokoenergetski foton putuje od najbliže neutronske zvijezde do Zemlje. Samo nekoliko njih napravi putovanje. No oni sadrže informacije potrebne za rješavanje jednog od najtežih pitanja astrofizike.
Fotoni energično vrebaju u svemir. Vruće zrake energije X-zraka rasprsnule su se s površine malenog, ultrazvučnog, vrtoglavog ostatka supernove. Grede se rašire tijekom dugih stoljeća. Ali, s vremena na vrijeme, jedna točkica rendgenske svjetlosti koja je proputovala 157 parseksa (512 svjetlosnih godina) kroz svemir - 32 milijuna puta udaljenost između Zemlje i Sunca - troši se protiv X-ove Međunarodne svemirske stanice (ISS) X teleskop zvani NICER. Zatim, dolje na Zemlji, tekstualna datoteka unosi novu točku podataka: energiju fotona i vrijeme njegovog dolaska, izmjereno mikrosekundnom točnošću.
Ta će točka podataka, zajedno s bezbroj drugih sličnih prikupljenih tijekom mjeseci, odgovoriti na osnovno pitanje čim bude u ljeto 2018. Koliko je širok J0437-4715, najbliži zemaljski susjed neutronskih zvijezda?
Ako istraživači mogu otkriti širinu neutronske zvijezde, fizičar Sharon Morsink rekao je gomili znanstvenika na sastanku Američkog fizičkog društva (APS) u travnju 2018., da bi te informacije mogle ukazati na put ka rješenju jedne od velikih misterija fizike čestica: Kako da li se materija ponaša kada je gurnuta u svoje najluđe krajnosti?
Na Zemlji, s obzirom na postojeću tehnologiju čovječanstva, postoje stroga ograničenja u tome kako gusta materija može doći, čak i u ekstremnijim laboratorijima, a još su i veća ograničenja u tome koliko dugo mogu preživjeti najgušća materija. To znači da fizičari nisu uspjeli shvatiti kako se čestice ponašaju u ekstremnim gustoćama. Jednostavno nema puno dobrih eksperimenata.
"Nekoliko je različitih metodologija koje ljudi pokušavaju reći kako se treba ponašati super gusta materija, ali ne slažu se svi", Morsink, fizičar sa Sveučilišta u Alberti i član radne skupine NASA fokusiran na širinu neutronskih zvijezda, rekao je Live Science. "A način na koji se svi ne slažu zapravo se može testirati jer svaka od njih predviđa koliko velika može biti neutronska zvijezda."
Drugim riječima, rješenje misterije ultrazvučne materije je zaključano unutar nekih najgušćih objekata svemira - neutronskih zvijezda. A znanstvenici mogu razbiti tu misteriju čim precizno mjere koliko su zaista široke (i, dakle, guste) neutronske zvijezde.
Fizika čestica u dubokom svemiru
"Neutronske zvijezde su najnevjerojatniji predmeti za koje većina ljudi nikada nije čula," rekao je fizičarima NASA-e Zaven Arzoumanian fizičarima na sastanku u Columbusu, Ohio.
Arzoumanian je jedan od voditelja NASA-inog projekta Neutron Star Internal Composition Explorer (NICER), koji čini tehničku osnovu za Morsinkov rad. NICER je veliki okretni teleskop postavljen na ISS; prati i precizno putanje X-zraka koje stižu u područje niske Zemljine orbite iz dubokog svemira.
Neutronska zvijezda je jezgro koje je zaostalo nakon masovne eksplozije supernove, ali vjeruje se da nije mnogo šire od srednjeg grada. Neutronske zvijezde mogu se vrtjeti s velikim udjelom brzine svjetlosti, ispaljivajući trepereće zrake energije rendgenskih zraka u svemir s preciznijim vremenskim odmakom od otkucavanja atomskog sata.
I što je najvažnije za svrhe Morsink i njezinih kolega, neutronske zvijezde su najgušći poznati objekti u svemiru koji se nisu urušili u crne rupe - ali za razliku od crnih rupa, znanstvenici mogu shvatiti što se događa u njima. Astronomi samo trebaju točno znati koliko su zaista velike neutronske zvijezde, a NICER je instrument koji bi konačno trebao odgovoriti na to pitanje.
Kvarčna juha
Znanstvenici ne znaju točno kako se materija ponaša u ekstremnoj jezgri neutronske zvijezde, ali dovoljno razumiju da znaju da je to vrlo čudno.
Daniel Watts, fizičar čestica na Sveučilištu u Edinburghu, rekao je zasebnoj publici na APS konferenciji da je unutrašnjost neutronske zvijezde u osnovi velik veliki upitnik.
Znanstvenici imaju izvrsna mjerenja masa neutronskih zvijezda. Na primjer, masa J0437-4715 je oko 1,44 puta veća od sunčeve veličine, unatoč veličini Donjeg Manhattana. To znači, rekao je Morsink, da je J0437-4715 daleko gušća od jezgre atoma - daleko najgušći predmet s kojim se znanstvenici susreću na Zemlji, gdje se velika većina tvari atomske okuplja u samo malenu mrlju u njenom središtu.
Na toj razini gustoće, objasnio je Watts, uopće nije jasno kako se materija ponaša. Kvarkovi, sitne čestice koje čine neutrone i protone, koji čine atome, ne mogu slobodno postojati sami. No kad materija dosegne ekstremne gustoće, kvarkovi bi se mogli vezati u čestice slične onima na Zemlji ili formirati veće, složenije čestice ili možda zajedno u cjelini preći u općenitiju juhu od čestica.
Znanstvenici kažu da je Watts za Live Science rekao da će detalji kako se materija ponaša pri ekstremnim gustoćama odrediti koliko zapravo zapravo dolaze široke neutronske zvijezde. Dakle, ako znanstvenici mogu smisliti precizna mjerenja neutronskih zvijezda, oni mogu suziti niz mogućnosti kako se materija ponaša u tim ekstremnim uvjetima.
A odgovor na to pitanje, rekao je Watts, mogao bi otključati odgovore na sve vrste misterija fizike čestica koje nemaju nikakve veze s neutronskim zvijezdama. Na primjer, rekao je, to bi moglo pomoći u odgovoru na to kako se pojedini neutroni raspoređuju u jezgrama vrlo teških atoma.
Mjerenja NICER-a trebaju vremena
Smatra se da je većina neutronskih zvijezda široka između 20 i 28 kilometara široka između 12 i 17 milja, iako bi mogla biti uska i do 16 milja. To je vrlo uzak raspon astronomskih izraza, ali ne baš dovoljno precizan da bi odgovorio na vrstu pitanja koja zanimaju Morsink i njezine kolege.
Kako bi došla do još preciznijih odgovora, Morsink i njezini kolege proučavaju rendgenske zrake koje dolaze od brzo vrtećih „vrućih točaka“ na neutronskim zvijezdama.
Iako su neutronske zvijezde nevjerojatno kompaktne sfere, njihova magnetska polja uzrokuju da energija koja silazi s njihovih površina bude prilično neujednačena. Svijetle mrlje formiraju se i gljive na njihovim površinama, mašući krugovima dok se zvijezde okreću mnogo puta u sekundi.
Tu dolazi NICER. NICER je veliki okretni teleskop montiran na ISS-u koji može probijati svjetlost koja dolazi iz tih zakrpa nevjerojatnim pravilnim.
To omogućuje Morsinku i njezinim kolegama da prouče dvije stvari, a obje mogu pomoći u pronalaženju polumjera neutronske zvijezde:
1. Brzina rotacije: Kad se neutronska zvijezda vrti, rekao je Morsink, svijetla točka na njezinoj površini namigne prema Zemlji i dalje od nje, gotovo poput snopa krugova koji se okreću svjetionikom. Morsink i njezini kolege mogu pažljivo proučavati podatke NICER-a kako bi se utvrdilo koliko puta zvijezda svaki trenutak namigne i koliko se brzo svijetla točka kreće kroz svemir. A brzina kretanja svijetle točke ovisi o brzini vrtnje zvijezde i njezinu polumjeru. Ako istraživači mogu utvrditi rotaciju i brzinu, polumjer je relativno lako odrediti.
2. Lagano savijanje: Neutronske zvijezde su toliko guste da NICER može otkriti fotone iz sjajne točke zvijezde koja je pucala u svemir, dok je mjesto bilo usmjereno daleko od Zemlje. Gravitacija neutronske zvijezde može savijati svjetlost tako naglo da se njeni fotoni okreću prema NICER-ovom senzoru. Brzina zakrivljenosti svjetlosti također je funkcija polumjera zvijezde i njene mase. Pa, pažljivim proučavanjem koliko zvijezda s poznatom masom krivulje svjetlosti, Morsink i njezini kolege mogu utvrditi radijus zvijezde.
A istraživači su blizu objave svojih rezultata, rekao je Morsink. (Nekoliko fizičara u njenom govoru o APS-u izrazilo je lagano razočaranje što nije najavila određeni broj i uzbuđenje zbog toga što dolazi.)
Morsink je za Live Science rekla da ne pokušava zadirkivati nadolazeću najavu. NICER još samo nije prikupio dovoljno fotona da bi tim mogao dati dobar odgovor.
"To je poput iznošenja kolača iz pećnice prerano: Jednostavno završite s neredom", rekla je.
Ali fotoni stižu, jedan po jedan, tijekom NICER-ovih mjeseci periodičnog proučavanja. A odgovor je sve bliži. Trenutno tim pregledava podatke iz J0437-4715 i Zemljinu sljedeću najbližu neutronsku zvijezdu, koja je udaljena oko dva puta.
Morsink je rekla da nije sigurna u radijusu neutronske zvijezde koje će ona i njezini kolege objaviti prvi, ali dodala je da će obje objave stići za nekoliko mjeseci.
"Cilj je da se to dogodi kasnije ovog ljeta, gdje se 'ljeto' koristi u prilično širokom smislu", rekla je. "Ali rekao bih da bismo do rujna trebali nešto imati."
