Neutronstjerner kan være vores GPS til dybe rumrejser

NASAs Neutron Star Interior Composition Explorer, eller NICER, er et røntgenteleskop opsendt på en SpaceX Falcon 9-raket i begyndelsen af ​​juni 2017. Installeret på den internationale rumstation, i midten af ​​juli vil det begynde sit videnskabelige arbejde-at studere de eksotiske astrofysiske objekter kendt som neutronstjerner og undersøge, om de kunne bruges som navigationsfyr i dybe rum til fremtidige generationer af rumfartøjer.

Hvad er neutronstjerner? Når stjerner mindst otte gange mere massive end Solen udtømmer alt brændstof i deres kerne gennem termonukleare fusionsreaktioner, tyngdekraften får dem til at falde sammen. Supernovaeksplosionen, der resulterer i, skubber det meste af stjernens materiale ud i rummet langt. Det, der er tilbage, danner enten en neutronstjerne eller et sort hul.

Jeg studerer neutronstjerner på grund af deres rige astrofysiske fænomener og de mange fysikområder, de er forbundet med. Det, der gør neutronstjerner ekstremt interessante, er, at hver stjerne er omkring 1,5 gange solens masse, men kun cirka 25 km i diameter - på størrelse med en enkelt by. Når du propper så meget masse ind i et så lille volumen, sagen er tættere pakket end den i en atomkerne. Så, for eksempel, mens kernen i et heliumatom kun har to neutroner og to protoner, en neutronstjerne er i det væsentlige en enkelt kerne, der består af 10 ⁵⁷ neutroner og 10 ⁵⁶ protoner.

Eksotisk fysik umulig på Jorden

Vi kan bruge neutronstjerner til at undersøge egenskaber ved atomfysik, der ikke kan undersøges i laboratorier på Jorden. For eksempel, nogle nuværende teorier forudsiger, at eksotiske partikler af stof, såsom hyperoner og dekonfinerede kvarker, kan forekomme ved de høje tætheder, der er til stede i neutronstjerner. Teorier indikerer også, at ved temperaturer på en milliard grader Celsius, protoner i neutronstjernen bliver superledende og neutroner, uden beregning, blive overflødig.

Magnetfeltet for neutronstjerner er også ekstremt, muligvis den stærkeste i universet, og milliarder af gange stærkere end noget, der er skabt i laboratorier. Selvom tyngdekraften på overfladen af ​​en neutronstjerne måske ikke er så stærk som nær et sort hul, neutronstjerner skaber stadig store forvrængninger i rumtiden og kan være kilder til gravitationsbølger, som blev udledt af forskning i neutronstjerner i 1970'erne, og bekræftet fra sorte huller ved LIGO -eksperimenterne for nylig.

Hovedfokus for NICER er at nøjagtigt måle massen og radius af flere neutronstjerner - og, selvom teleskopet vil observere andre typer astronomiske objekter, de af os, der studerer neutronstjerner, håber NICER vil give os en unik indsigt i disse fascinerende objekter og deres fysik. NICER vil måle, hvordan lysstyrken af ​​en neutronstjerne ændres i henhold til dens energi, og hvordan den ændrer sig, når stjernen roterer, afslører forskellige dele af overfladen. Disse observationer vil blive sammenlignet med teoretiske modeller baseret på stjernens egenskaber, såsom masse og radius. Nøjagtige bestemmelser af masse og radius vil give en vital test af atomteori.

En GPS til dybt rum

Et andet aspekt af neutronstjerner, der kan vise sig at være vigtige for fremtidige rumrejser, er deres rotation - og dette vil også blive testet af NICER. Roterende neutronstjerner, kendt som pulsarer, udsender strålingsstråler som et fyrtårn og ses at rotere så hurtigt som 716 gange i sekundet. Denne rotationshastighed i nogle neutronstjerner er mere stabil end de bedste atomure, vi har på Jorden. Faktisk, det er denne egenskab ved neutronstjerner, der førte til opdagelsen af ​​de første planeter uden for vores solsystem i 1992-tre planeter i jordstørrelse, der kredsede om en neutronstjerne.

NICER -missionen, ved hjælp af en del af teleskopet SEXTANT, vil teste, om den ekstraordinære regelmæssighed og stabilitet ved neutronstjerners rotation kan bruges som et netværk af navigationsfyr i dybt rum. Neutronstjerner kan således tjene som naturlige satellitter, der bidrager til et galaktisk (snarere end globalt) positioneringssystem, og kunne stole på af fremtidige bemandede og ubemandede rumfartøjer til at navigere blandt stjernerne.

NICER vil fungere i 18 måneder, men det er håbet, at NASA vil fortsætte med at støtte sin drift bagefter, især hvis det kan levere sine ambitiøse videnskabelige mål. Det håber jeg også, fordi NICER kombinerer og forbedrer kraftigt de uvurderlige muligheder for tidligere røntgenrumfartøjer-RXTE, Chandra, og XMM-Newton-der bruges til at afdække neutronstjerners mysterier og afsløre egenskaber ved grundlæggende fysik.

Den første neutronstjerne, en pulsar, blev opdaget i 1967 af Jocelyn Bell Burnell. Det ville være passende at få et gennembrud på neutronstjerner i dette 50 -års jubilæumsår.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.