NASA lancerer den første neutronstjernemission nogensinde

Næsten 50 år efter at den britiske astrofysiker Jocelyn Bell opdagede eksistensen af ​​​​hurtigt snurrende neutronstjerner, NASA vil lancere verdens første mission, der er viet til at studere disse usædvanlige objekter.

Agenturet vil også bruge den samme platform til at udføre verdens første demonstration af røntgennavigation i rummet.

Agenturet planlægger at lancere to-i-en Neutron Star Interior Composition Explorer, eller pænere, ombord på SpaceX CRS-11, en lastgenforsyningsmission til den internationale rumstation, der skal opsendes ombord på en Falcon 9-raket.

Cirka en uge efter installationen som en ekstern tilkoblet nyttelast, denne enestående undersøgelse vil begynde at observere neutronstjerner, de tætteste genstande i universet. Missionen vil især fokusere på pulsarer - de neutronstjerner, der ser ud til at blinke til og fra, fordi deres spin fejer stråler af stråling forbi os, som et kosmisk fyrtårn.

"Timingen af ​​denne lancering er apropos, " sagde Keith Gendreau, en videnskabsmand ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, der ledede missionens udvikling, der også involverede Massachusetts Institute of Technology, Naval Research Laboratory, og universiteter i hele USA og i Canada. Selvom holdet havde færdiggjort og leveret nyttelasten på størrelse med køleskabet udstyret med 56 røntgenteleskoper og siliciumdetektorer før tidsplanen sidste sommer, en lanceringsmulighed blev først tilgængelig i 2017.

Kort efter 50-året for Bells opdagelse den 25. juli, NICER-holdet burde have indsamlet nok data "til at lave en lille smule sprøjt, " tilføjede NICER stedfortrædende hovedefterforsker Zaven Arzoumanian, med henvisning til videnskabelige konferencer i år, herunder en, der fejrer Bells detektering af regelmæssigt pulserende signaler, der senere blev identificeret som roterende neutronstjerner.

Fysiske ekstremer

På grund af deres ekstreme natur, neutronstjerner og pulsarer har vakt stor interesse, siden deres eksistens teoretisk blev foreslået i 1939 og derefter opdaget i 1967.

Disse objekter er resterne af massive stjerner, der, efter at have opbrugt deres nukleare brændsel, eksploderede og kollapsede i supertætte kugler på størrelse med New York City. Deres intense tyngdekraft knuser en forbløffende mængde stof - ofte mere end 1,4 gange solens indhold eller mindst 460, 000 Jorder – ind i disse kugler i bystørrelse, skabe stabil, alligevel utrolig tæt stof, der ikke ses andre steder i universet. Bare en teskefuld neutronstjernestof ville veje en milliard tons på Jorden.

"Materiens natur under disse forhold er et årtier gammelt uløst problem, " Sagde Gendreau. "Teorien har fremført et væld af modeller til at beskrive fysikken, der styrer neutronstjernernes indre. med pænere, vi kan endelig teste disse teorier med præcise observationer."

Selvom neutronstjerner udsender stråling over hele spektret, at observere dem i det energiske røntgenbånd giver den største indsigt i deres struktur og de højenergifænomener, som de er vært for, inklusive stjerneskælv, termonukleare eksplosioner, og de kraftigste magnetfelter, der er kendt i kosmos.

I løbet af sin 18-måneders mission, NICER vil indsamle røntgenstråler genereret fra stjernernes enormt stærke magnetiske felter og fra hotspots placeret ved deres to magnetiske poler. På disse steder, objekternes intense magnetiske felter kommer frem fra deres overflader, og partikler fanget i disse felter regner ned og genererer røntgenstråler, når de rammer stjernernes overflader.

I pulsarer, disse strømmende partikler udsender kraftige stråler af stråling fra nærheden af ​​de magnetiske poler. På Jorden - som Bell opdagede - observeres disse strålingsstråler som strålingsglimt, der spænder fra sekunder til millisekunder, afhængigt af hvor hurtigt pulsaren roterer.

For at demonstrere røntgen-navigation

Fordi disse pulsationer er forudsigelige, de kan bruges som himmelske ure, giver høj præcision timing, ligesom atomurets signaler, der leveres gennem Global Positioning System, også kendt som GPS. Selvom det er allestedsnærværende på jorden, GPS-signaler svækkes, jo længere man rejser ud over Jordens kredsløb. Pulsarer, imidlertid, er tilgængelige stort set overalt i rummet, gør dem til en værdifuld navigationsløsning til udforskning af det dybe rum.

Ved at bruge den samme NICER hardware, Missionen planlægger også at demonstrere levedygtigheden af ​​autonom røntgen- eller pulsar-baseret navigation, som aldrig er blevet påvist før.

I et eksperiment kaldet Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, eller SEXTANT, holdet vil bruge NICER's teleskoper til at detektere røntgenlys udsendt inden for pulsarernes fejende stråler af stråling for at estimere ankomsttiderne for pulserne. Med disse målinger, holdet vil bruge specielt udviklede algoritmer til at sammensætte en indbygget navigationsløsning.

Hvis en interplanetarisk mission var udstyret med en sådan navigationsenhed, det ville være i stand til at beregne sin placering autonomt, stort set uafhængig af NASAs Deep Space Network, som anses for at være det mest følsomme telekommunikationssystem i verden.

"Vores primære mål er videnskab, " sagde Gendreau. "Men vi kan bruge de samme pulsarmålinger til at demonstrere røntgen-navigation. Det er sjældent, at vi forskere får udviklet et multi-formålseksperiment som dette. Det hele hænger sammen."

Røntgenkommunikation mulig

Imidlertid, Røntgennavigation ved hjælp af NICER's pulsar timing data er ikke den eneste teknologi, holdet gerne vil demonstrere. I et andet potentiale først, holdet ønsker at demonstrere røntgenbaseret kommunikation, eller XCOM – en funktion, der i sidste ende kunne tillade rumrejsende, inklusive rumfartøjer, at transmittere gigabit data per sekund over interplanetariske afstande.

Centralt for denne potentielle demonstration er Goddards modulerede røntgenkilde, eller MXS, som NICER-teamet udviklede for at kalibrere nyttelastens detektorer og hjælpe med at teste de algoritmer, der er nødvendige for at demonstrere røntgen-navigation. Denne enhed genererer røntgenstråler med hurtigt varierende intensitet, tænde og slukke mange gange i sekundet for at simulere, for eksempel, en mål neutronstjernes pulseringer.

For at vise XCOM, holdet ville flyve en rumkvalificeret MXS til den internationale rumstation og installere den på en ekstern eksperimentpalle omkring 166 fod væk fra NICER. Under forsøget, holdet ville indkode digitale data i pulserede røntgenstråler ved hjælp af MXS og transmittere dataene til NICERs modtagere.

"Vi har det meste af hardwaren færdiggjort, " sagde SEXTANT og XCOM projektleder Jason Mitchell. "Vi mangler bare et par ressourcer mere for at afslutte jobbet."

Hvis holdet lykkes med at flyve MXS måske næste år, "den resulterende demonstration kunne være spilskiftende, " tilføjede Mitchell. Ud over at love gigabit-per-sekund datatransmissionshastigheder over store afstande, Røntgenkommunikation ville muliggøre kommunikation med hypersoniske køretøjer og rumfartøjer.

"Dette er et meget interessant eksperiment, som vi laver på rumstationen, " sagde Gendreau. "Vi har fået en masse god støtte fra videnskabs- og rumteknologifolkene ved NASAs hovedkvarter. De har hjulpet os med at fremme de teknologier, der gør NICER muligt såvel som dem, som NICER vil demonstrere. Missionen er flammende spor på flere forskellige niveauer."