Путь фотона высокой энергии от ближайшей нейтронной звезды до Земли занимает 512 лет. Лишь немногие из них совершают путешествие. Но они несут информацию, необходимую для решения одного из самых сложных вопросов в астрофизике.
Фотоны стреляют в космос в энергичном порыве. Горячие лучи рентгеновской энергии вырвались с поверхности крошечного, сверхплотного, вращающегося остатка сверхновой. Лучи рассеиваются в течение долгих веков в пути. Но время от времени, одна точка рентгеновского света, которая прошла 157 парсек (512 световых лет) по космосу - 32 миллиона раз расстояние от Земли до Солнца - расходится против Международной космической станции (МКС) X телескоп по прозвищу NICER. Затем, на Земле, текстовый файл вводит новую точку данных: энергию фотона и время его прибытия, измеренные с точностью до микросекунды.
Эта точка данных, наряду с бесчисленным количеством других подобных данных, собранных за месяцы, ответит на основной вопрос уже летом 2018 года: насколько широк J0437-4715, ближайший сосед нейтронной звезды Земли?
Если исследователи смогут определить ширину нейтронной звезды, физик Шарон Морсинк сказала толпе ученых на встрече Американского физического общества (APS) в апреле 2018 года, что эта информация может указать путь к разгадке одной из великих загадок физики элементарных частиц: как ведет себя ли материя, когда ее доводят до самых диких крайностей?
На Земле, с учетом существующих технологий человечества, существуют жесткие ограничения в отношении того, насколько плотная материя может быть получена, даже в экстремальных лабораториях, и еще более жесткие ограничения в отношении того, как долго могут выжить ученые, обладающие самой плотной материей. Это означало, что физики не смогли понять, как частицы ведут себя при экстремальных плотностях. Просто не так много хороших экспериментов.
«Есть ряд различных методологий, которые люди придумывают, чтобы попытаться сказать, как должна вести себя сверхплотная материя, но они не все согласны», - Морсинк, физик из Университета Альберты и член рабочей группы НАСА. сосредоточены на ширине нейтронных звезд, рассказал Live Science. «И способ, которым они не все согласны, может быть проверен, потому что каждый из них предсказывает, какой может быть нейтронная звезда».
Другими словами, решение загадки сверхплотной материи заперто внутри некоторых из самых плотных объектов вселенной - нейтронных звезд. И ученые могут раскрыть эту тайну, как только они точно измерят, насколько широкими (и, следовательно, плотными) нейтронные звезды действительно являются.
Физика частиц в глубоком космосе
«Нейтронные звезды - самые возмутительные объекты, о которых большинство людей никогда не слышали», - сказал ученым НАСА Завен Арзуманян на встрече в Колумбусе, штат Огайо.
Арзуманян - один из руководителей проекта НАСА по исследованию внутреннего состава нейтронных звезд (NICER), который составляет техническую основу для работы Морсинка. NICER - это большой, вращающийся телескоп, установленный на МКС; он контролирует и точно измеряет время рентгеновского излучения, которое поступает в область низкой околоземной орбиты из глубокого космоса.
Нейтронная звезда - это ядро, оставшееся после мощного взрыва сверхновой, но считается, что оно не намного шире, чем город среднего размера. Нейтронные звезды могут вращаться с высокой долей скорости света, испуская мерцающие лучи рентгеновской энергии в космос с более точным временем, чем тиканье атомных часов.
И что наиболее важно для целей Морсинк и ее коллег, нейтронные звезды - это самые плотные из известных объектов во вселенной, которые не разрушились в черные дыры - но в отличие от черных дыр, ученые могут выяснить, что происходит внутри них. Астрономам просто необходимо точно знать, насколько широкими являются нейтронные звезды, и NICER - это инструмент, который должен окончательно ответить на этот вопрос.
Кварковый суп
Ученые не знают точно, как ведет себя материя в крайнем ядре нейтронной звезды, но они понимают достаточно, чтобы понять, что это очень странно.
Дэниел Уоттс, физик элементарных частиц в Эдинбургском университете, сказал отдельной аудитории на конференции APS, что внутренность нейтронной звезды - это по сути большой большой знак вопроса.
Ученые провели отличные измерения массы нейтронных звезд. Масса J0437-4715, например, примерно в 1,44 раза больше массы Солнца, несмотря на то, что она более или менее размером с Нижний Манхэттен. Это означает, сказал Морсинк, что J0437-4715 гораздо плотнее, чем ядро атома - безусловно, самый плотный объект, с которым ученые сталкиваются на Земле, где подавляющее большинство вещества атома собирается в крошечном пятнышке в его центре.
На этом уровне плотности, объяснил Уоттс, совсем не ясно, как ведет себя материя. Кварки, крошечные частицы, которые составляют нейтроны и протоны, которые составляют атомы, не могут свободно существовать сами по себе. Но когда материя достигает предельной плотности, кварки могут продолжать связываться в частицы, похожие на частицы на Земле, или образовывать более крупные, более сложные частицы, или, возможно, смешиваться целиком в более обобщенный суп из частиц.
Что известно ученым, сказал Ваттс «Живой науке», так это то, что подробности того, как материя ведет себя при экстремальных плотностях, будут определять, насколько широкими будут нейтронные звезды. Так что, если ученые смогут дать точные измерения нейтронных звезд, они могут сузить круг возможностей для поведения вещества в этих экстремальных условиях.
И ответ на этот вопрос, сказал Уоттс, может открыть ответы на все виды загадок физики элементарных частиц, которые не имеют ничего общего с нейтронными звездами. Например, по его словам, это может помочь ответить только на то, как отдельные нейтроны располагаются в ядрах очень тяжелых атомов.
Измерения NICER требуют времени
Морсинк считает, что большинство нейтронных звезд имеют ширину от 12 до 17 миль (20 и 28 километров), хотя они могут составлять до 10 миль (16 км). Это очень узкий диапазон с точки зрения астрономии, но недостаточно точный, чтобы отвечать на вопросы, которые интересуют Морсинк и ее коллеги.
Чтобы добиться еще более точных ответов, Морсинк и ее коллеги изучают рентгеновские лучи, исходящие от быстро вращающихся «горячих точек» на нейтронных звездах.
Хотя нейтронные звезды являются невероятно компактными сферами, их магнитные поля приводят к тому, что энергия, исходящая с их поверхностей, довольно неравномерна. На их поверхности образуются яркие пятна и грибы, которые кружатся по кругу, когда звезды вращаются много раз в секунду.
Вот тут и появляется NICER. NICER - это большой, вращающийся телескоп, установленный на МКС, который может с невероятной регулярностью измерять время, исходящее от этих пятен.
Это позволяет Морсинк и ее коллегам изучить две вещи, обе из которых могут помочь им определить радиус нейтронной звезды:
1. Скорость вращения: По словам Морсинка, когда вращается нейтронная звезда, яркое пятно на ее поверхности подмигивает к Земле и удаляется от нее, почти как луч маяка, поворачивающего круги. Морсинк и ее коллеги могут внимательно изучить данные NICER, чтобы точно определить, сколько раз звезда мигает в каждый момент и как быстро яркое пятно движется в пространстве. А скорость движения яркого пятна зависит от скорости вращения звезды и ее радиуса. Если исследователи смогут определить вращение и скорость, радиус будет относительно легко определить.
2. Легкий изгиб: Нейтронные звезды настолько плотны, что NICER может обнаружить фотоны из яркого пятна звезды, которое выстрелило в космос, когда оно было направлено от Земли. Гравитационная нейтронная звезда хорошо изгибает свет настолько резко, что ее фотоны поворачиваются и попадают в сенсор NICER. Скорость кривизны света также зависит от радиуса звезды и ее массы. Таким образом, тщательно изучив, как светится звезда с известной массой, Морсинк и ее коллеги могут определить радиус звезды.
И исследователи близки к объявлению своих результатов, сказал Морсинк. (Несколько физиков на ее выступлении в APS выразили некоторое легкое разочарование, что она не объявила конкретное число, и волнение, что оно грядет.)
Морсинк сказала Live Science, что она не пыталась дразнить предстоящее объявление. NICER просто еще не собрал достаточно фотонов, чтобы команда могла предложить хороший ответ.
«Это все равно, что вынимать пирог из духовки слишком рано: у тебя просто беспорядок», - сказала она.
Но фотоны прибывают, один за другим, во время периодических исследований NICER. И ответ приближается. Сейчас команда изучает данные J0437-4715 и ближайшей к Земле нейтронной звезды, расстояние до которой примерно вдвое больше.
Морсинк сказала, что она не уверена, какой радиус нейтронной звезды она и ее коллеги опубликуют первыми, но добавила, что оба объявления появятся в ближайшие месяцы.
«Цель состоит в том, чтобы это произошло позже этим летом, когда« лето »используется в довольно широком смысле», - сказала она. «Но я бы сказал, что к сентябрю у нас должно быть что-то».
