Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Astronomi

NASAs NICER leverer de bedste pulsarmålinger nogensinde, første overfladekort

Kredit:NASAs Goddard Space Flight Center

Astrofysikere omtegner lærebogens billede af pulsarer, den tætte, hvirvlende rester af eksploderede stjerner, takket være NASAs neutronstjerne Interior Composition Explorer (NICER), et røntgenteleskop ombord på den internationale rumstation. Ved at bruge NICERE data, videnskabsmænd har opnået de første præcise og pålidelige målinger af både en pulsars størrelse og dens masse, samt det første kort nogensinde over hot spots på overfladen.

Den pågældende pulsar, J0030+0451 (forkortet J0030), ligger i et isoleret område af rum 1, 100 lysår væk i stjernebilledet Fiskene. Mens man måler pulsarens vægt og proportioner, NICER afslørede, at formerne og placeringerne af milliongraders "hot spots" på pulsarens overflade er meget mærkeligere end almindeligt antaget.

"Fra sin siddeplads på rumstationen, NICER revolutionerer vores forståelse af pulsarer, sagde Paul Hertz, astrofysisk afdelingsdirektør ved NASAs hovedkvarter i Washington. "Pulsarer blev opdaget for mere end 50 år siden som fyrtårne ​​af stjerner, der er kollapset til tætte kerner, opfører sig ulig noget, vi ser på Jorden. Med NICER kan vi undersøge arten af ​​disse tætte rester på måder, som indtil nu virkede umulige."

En række artikler, der analyserer NICERs observationer af J0030, vises i et fokusnummer af The Astrophysical Journal Letters og er nu tilgængelig online.

Når en massiv stjerne dør, den løber tør for brændstof, kollapser under sin egen vægt og eksploderer som en supernova. Disse stjernedødsfald kan efterlade neutronstjerner, som samler mere masse end vores sol i en kugle, der er nogenlunde lige så bred som øen Manhattan er lang. Pulsarer, som er én klasse neutronstjerner, spin op til hundredvis af gange hvert sekund og fejer stråler af energi mod os for hver rotation. J0030 drejer 205 gange i sekundet.

I årtier, videnskabsmænd har forsøgt at finde ud af præcis, hvordan pulsarer fungerer. I den enkleste model, en pulsar har et kraftigt magnetfelt, der er formet meget som en husholdningsstangmagnet. Feltet er så stærkt, at det river partikler fra pulsarens overflade og accelererer dem. Nogle partikler følger magnetfeltet og rammer den modsatte side, opvarme overfladen og skabe hot spots ved magnetpolerne. Hele pulsaren lyser svagt i røntgenstråler, men de varme punkter er lysere. Mens objektet drejer, disse pletter fejer ind og ud af synet som bjælker fra et fyrtårn, producerer ekstremt regelmæssige variationer i objektets røntgenlysstyrke. Men de nye NICER undersøgelser af J0030 viser, at pulsarer ikke er så simple.

Forskere har nået en ny grænse i vores forståelse af pulsarer, den tætte, hvirvlende rester af eksploderede stjerner, takket være observationer fra NASAs neutronstjerne Interior Composition Explorer (NICER). Data fra dette røntgenteleskop ombord på den internationale rumstation har produceret de første præcise og pålidelige målinger af både en pulsars størrelse og dens masse. Den pågældende pulsar, J0030+0451 (forkortet J0030), er en ensom pulsar, der ligger 1, 100 lysår væk i stjernebilledet Fiskene. Mens man måler pulsarens vægt og proportioner, NICER afslørede, at formerne og placeringerne af millioner graders varme pletter på pulsarens overflade er meget mærkeligere end almindeligt antaget. Ved at bruge NICER observationer fra juli 2017 til december 2018, to grupper af videnskabsmænd kortlagde J0030's hot spots ved hjælp af uafhængige metoder og konvergerede på næsten identiske resultater for dens masse og størrelse. Et hold, ledet af forskere ved universitetet i Amsterdam, bestemt at pulsaren er omkring 1,3 gange Solens masse, 15,8 miles (25,4 kilometer) på tværs og har to hot spots - en lille og cirkulær, den anden lang og halvmåneformet. Et andet hold fundet J0030 er omkring 1,4 gange Solens masse, omkring 16,2 miles (26 kilometer) bred og har to eller tre ovale hot spots. Alle pletter i alle modeller er på pulsarens sydlige halvkugle -- i modsætning til lærebogsbilleder, hvor pletterne ligger på modsatte sider af hinanden ved hver magnetiske poler. Se på YouTube:https://youtu.be/zukBXehGHasDownload i HD:https://svs .gsfc.nasa.gov/13240 Kredit:NASAs Goddard Space Flight Center

Ved at bruge NICER observationer fra juli 2017 til december 2018, to grupper af videnskabsmænd kortlagde J0030's hot spots ved hjælp af uafhængige metoder og konvergerede på lignende resultater for dens masse og størrelse. Et hold ledet af Thomas Riley, en doktorand i beregningsastrofysik, og hans vejleder Anna Watts, professor i astrofysik ved universitetet i Amsterdam, fastslog, at pulsaren er omkring 1,3 gange Solens masse og 15,8 miles (25,4 kilometer) på tværs. Cole Miller, en astronomiprofessor ved University of Maryland (UMD), der ledede det andet hold, fundet J0030 er omkring 1,4 gange Solens masse og lidt større, omkring 16,2 miles (26 kilometer) bred.

"Da vi først begyndte at arbejde på J0030, vores forståelse af, hvordan man simulerer pulsarer, var ufuldstændig, og det er det stadig, " sagde Riley. "Men takket være NICERs detaljerede data, open source værktøjer, højtydende computere og fantastisk teamwork, vi har nu en ramme for at udvikle mere realistiske modeller af disse objekter."

En pulsar er så tæt, at dens tyngdekraft fordrejer nærliggende rumtid – universets "stof" som beskrevet af Einsteins generelle relativitetsteori – på nogenlunde samme måde som en bowlingkugle på en trampolin strækker overfladen. Rum-tid er så forvrænget, at lyset fra den side af pulsaren, der vender væk fra os, "bøjes" og omdirigeres til vores syn. Dette får stjernen til at se større ud, end den er. Effekten betyder også, at de varme pletter måske aldrig forsvinder helt, når de roterer til den anden side af stjernen. NICER måler ankomsten af ​​hver røntgenstråle fra en pulsar til bedre end hundrede nanosekunder, en præcision omkring 20 gange større end tidligere tilgængelig, så forskerne kan drage fordel af denne effekt for første gang.

"NICERs enestående røntgenmålinger gjorde det muligt for os at lave de mest præcise og pålidelige beregninger af en pulsars størrelse til dato, med en usikkerhed på mindre end 10 %, " sagde Miller. "Hele NICER-teamet har ydet et vigtigt bidrag til grundlæggende fysik, som er umuligt at undersøge i jordbaserede laboratorier."

Vores udsigt fra Jorden ser på J0030's nordlige halvkugle. Da holdene kortlagde former og placeringer af J0030's pletter, de forventede at finde en der baseret på lærebogens billede af pulsarer, men gjorde det ikke. I stedet, forskerne identificerede op til tre hotspots, "alle på den sydlige halvkugle.

Riley og hans kolleger kørte runder af simuleringer ved at bruge overlappende cirkler af forskellige størrelser og temperaturer for at genskabe røntgensignalerne. At udføre deres analyse på den hollandske nationale supercomputer Cartesius tog mindre end en måned - men ville have krævet omkring 10 år på en moderne stationær computer. Deres løsning identificerer to hot spots, den ene lille og cirkulær og den anden lang og halvmåneformet.

Simulering af en mulig quadripol magnetfeltkonfiguration for en pulsar med hot spots kun på den sydlige halvkugle. Kredit:NASAs Goddard Space Flight Center

Millers gruppe udførte lignende simuleringer, men med ovaler i forskellige størrelser og temperaturer, på UMD's Deepthought2 supercomputer. De fandt to mulige og lige sandsynlige pletkonfigurationer. Den ene har to ovaler, der nøje matcher mønsteret fundet af Rileys hold. Den anden løsning tilføjer en tredje, køligere sted lidt skævt af pulsarens sydlige rotationspol.

Tidligere teoretiske forudsigelser antydede, at hotspot-placeringer og -former kunne variere, men J0030-undersøgelserne er de første til at kortlægge disse overfladetræk. Forskere forsøger stadig at afgøre, hvorfor J0030's pletter er arrangeret og formet, som de er, men indtil videre er det klart, at pulsarmagnetiske felter er mere komplicerede end den traditionelle to-polede model.

NICERs vigtigste videnskabelige mål er at præcist bestemme masserne og størrelserne af flere pulsarer. Med denne information vil videnskabsmænd endelig være i stand til at tyde stoffets tilstand i neutronstjernernes kerner, stof knust af enorme tryk og tætheder, der ikke kan kopieres på Jorden.

"Det er bemærkelsesværdigt, og også meget betryggende, at de to hold opnåede så ens størrelser, masser og hot spot-mønstre for J0030 ved hjælp af forskellige modelleringsmetoder, " sagde Zaven Arzoumanian, NICER videnskabsleder ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det fortæller os, at NICER er på rette vej for at hjælpe os med at besvare et vedvarende spørgsmål inden for astrofysik:Hvilken form har stof i de ultratætte kerner af neutronstjerner?"

NICER er en Astrophysics Mission of Opportunity inden for NASAs Explorers program, som giver hyppige flyvemuligheder for videnskabelige undersøgelser i verdensklasse fra rummet ved hjælp af innovative, strømlinede og effektive ledelsestilgange inden for heliofysik- og astrofysikvidenskabsområderne. NASA's Space Technology Mission Directorate støtter SEXTANT-komponenten af ​​missionen, demonstrerer pulsar-baseret rumfartøjsnavigation.