Yüksek enerjili bir fotonun en yakın nötron yıldızından Dünya'ya seyahat etmesi 512 yıl alır. Sadece birkaçı yolculuk yapıyor. Ancak astrofizikteki en zor sorulardan birini çözmek için gerekli bilgileri taşırlar.
Fotonlar enerjik bir acele ile uzaya ateş ederler. X-ışını enerjisinin sıcak ışınları, bir süpernova'nın minik, ultra yoğun, eğirme kalıntısının yüzeyinden patlar. Kirişler uzun yüzyıllar boyunca transit olarak dağılır. Ancak arada bir, uzayda 157 parsek (512 ışık yılı) seyahat eden tek bir X-ışını ışığı noktası - Dünya ile güneş arasındaki mesafenin 32 milyon katı - Uluslararası Uzay İstasyonu'nun (ISS) X'e karşı kendini bekliyor ışınlı teleskop, takma ad NICER. Daha sonra, Dünya üzerinde bir metin dosyası yeni bir veri noktasına girer: foton enerjisi ve mikrosaniye doğruluğu ile ölçülen varış zamanı.
Bu veri noktası, aylar boyunca toplanan sayısız insanla birlikte, 2018 yazında en kısa sürede temel bir soruyu cevaplayacak: Dünyanın en yakın nötron yıldızı komşusu J0437-4715 ne kadar geniş?
Araştırmacılar bir nötron yıldızının genişliğini anlayabilirlerse, fizikçi Sharon Morsink, Amerikan Fizik Derneği'nin (APS) Nisan 2018 toplantısında bir bilim insanı kalabalığına, parçacık fiziğinin büyük gizemlerinden birini çözmenin yolunu gösterebilir: en vahşi uçlarına itildiğinde madde davranır mı?
Dünyada, insanlığın mevcut teknolojisi göz önüne alındığında, aşırı laboratuvarlarda bile yoğun maddenin nasıl elde edilebileceğine dair bazı zor sınırlar ve bilim adamlarının en yoğun maddenin ne kadar süre dayanabileceğine dair daha da zor sınırlar vardır. Bu, fizikçilerin parçacıkların aşırı yoğunluklarda nasıl davrandığını anlayamadıkları anlamına geliyordu. Çok iyi deneyler mevcut değil.
Alberta Üniversitesi fizikçisi ve NASA çalışma grubunun bir üyesi olan Morsink, "İnsanların aşırı yoğun maddenin nasıl davranması gerektiğini söylemeye çalışmak için bir dizi farklı metodoloji var, ama hepsi aynı fikirde değil". nötron yıldızlarının genişliğine odaklanmış, Canlı Bilim anlattı. "Ve hepsinin aynı fikirde olmama şekli aslında test edilebilir çünkü her biri bir nötron yıldızının ne kadar büyük olabileceğine dair bir tahmin yapar."
Başka bir deyişle, ultra yoğun maddenin gizeminin çözümü, evrenin en yoğun nesnelerinin - nötron yıldızlarının içinde kilitlenir. Ve bilim adamları, nötron yıldızlarının gerçekte ne kadar geniş (ve dolayısıyla yoğun) olduğunu tam olarak ölçtüklerinde bu gizemi kırabilirler.
Derin uzayda parçacık fiziği
"Nötron yıldızları çoğu insanın hiç duymadığı en çirkin nesnelerdir," dedi NASA bilim adamı Zaven Arzoumanian fizikçilere Columbus, Ohio'daki toplantıda.
Arzoumanian, NASA'nın Morsink'in çalışması için teknik temeli oluşturan Nötron Yıldızı İç Kompozisyon Kaşifi (NICER) projesinin başkanlarından biridir. NICER, ISS üzerine monte edilmiş büyük, döner bir teleskoptur; derin uzaydan düşük Dünya yörüngesine gelen X-ışınlarını izler ve kesin olarak zamanlar.
Bir nötron yıldızı, büyük bir süpernova patlamasından sonra geride kalan çekirdektir, ancak orta ölçekli bir şehirden çok daha geniş olmadığına inanılmaktadır. Nötron yıldızları, ışık hızının yüksek kesimlerinde dönerek, X-ışını enerjisinin titreyen ışınlarını, atomik saatlerin tıkanmasından daha hassas zamanlama ile uzaya fırlatabilir.
Ve en önemlisi, Morsink ve meslektaşlarının amaçları için, nötron yıldızları, evrendeki karadeliklere çökmemiş en yoğun bilinen nesnelerdir - ancak kara deliklerin aksine, bilim adamlarının içinde neler olduğunu anlamaları mümkündür. Gökbilimcilerin sadece nötron yıldızlarının gerçekte ne kadar geniş olduğunu tam olarak bilmeleri gerekir ve NICER sonunda bu soruya cevap vermesi gereken bir araçtır.
Kuark çorbası
Bilim adamları, maddenin bir nötron yıldızının aşırı çekirdeğinde tam olarak nasıl davrandığını bilmiyorlar, ancak bunun çok garip olduğunu bilecek kadar anlıyorlar.
Edinburgh Üniversitesi'nde bir parçacık fizikçisi olan Daniel Watts, APS konferansında ayrı bir kitleye, bir nötron yıldızının iç kısmının aslında büyük bir soru işareti olduğunu söyledi.
Bilim adamları, nötron yıldızlarının kütlelerinin bazı mükemmel ölçümlerine sahiptir. Örneğin, J0437-4715'in kütlesi, Aşağı Manhattan'ın boyutunun az ya da çok olmasına rağmen, güneşin yaklaşık 1.44 katıdır. Bu, Morsink, J0437-4715'in bir atom çekirdeğinden çok daha yoğun olduğunu söyledi - bilim adamlarının Dünya'da karşılaştığı en yoğun nesne, burada bir atom maddesinin büyük çoğunluğu merkezindeki küçük bir lekede toplanıyor.
Watts, bu yoğunluk seviyesinde, maddenin nasıl davrandığı hiç net değil. Atomları oluşturan nötronları ve protonları oluşturan küçük parçacıklar, kendi başlarına serbestçe var olamazlar. Ancak madde aşırı yoğunluklara ulaştığında, kuarklar Dünyadakilere benzer parçacıklara bağlanmaya devam edebilir veya daha büyük, daha karmaşık parçacıklar oluşturabilir veya belki de tamamen daha genel bir parçacık çorbasına karışabilir.
Watts, Canlı bilim adamlarının bildiği gibi, maddenin aşırı yoğunluklarda nasıl davrandığına dair detayların, nötron yıldızlarının gerçekte ne kadar genişlediğini belirleyeceğidir. Bilim adamları nötron yıldızlarının kesin ölçümlerini yapabilirlerse, maddenin bu aşırı koşullar altında nasıl davrandığına dair olasılıkları daraltabilirler.
Watts, bu soruyu cevaplayarak, nötron yıldızlarıyla hiçbir ilgisi olmayan her türlü parçacık-fizik gizemine cevapların kilidini açabileceğini söyledi. Örneğin, tek tek nötronların kendilerini çok ağır atomların çekirdeğinde nasıl düzenlediklerini cevaplamaya yardımcı olabileceğini söyledi.
NICER ölçümleri zaman alır
Morsink, çoğu nötron yıldızının yaklaşık 20 ila 28 mil (20 ve 28 kilometre) genişliğinde olduğuna inanılıyor, ancak 16 km (10 mil) kadar dar olabilirler. Bu, astronomi açısından çok dar bir aralıktır, ancak Morsink ve meslektaşlarının ilgilendiği soruları cevaplayacak kadar kesin değildir.
Morsink ve meslektaşları daha da kesin cevaplara doğru baskı yapmak için, nötron yıldızlarında hızla dönen “sıcak noktalardan” gelen X-ışınları üzerinde çalışıyorlar.
Nötron yıldızları inanılmaz derecede kompakt küreler olmasına rağmen, manyetik alanları yüzeylerinden çıkan enerjinin oldukça düzensiz olmasına neden olur. Yüzeylerinde parlak yamalar oluşur ve mantarlar, yıldızlar saniyede birçok kez döndükçe çevrelerde çırpınır.
İşte bu noktada NICER devreye giriyor. NICER, ISS üzerine monte edilmiş, inanılmaz bir düzenlilikle bu yamalardan gelen ışığı zamanlayabilen büyük, döner bir teleskop.
Bu, Morsink ve meslektaşlarının her ikisi de bir nötron yıldızının yarıçapını anlamalarına yardımcı olabilecek iki şeyi incelemesine izin verir:
1. dönme hızı: Nötron yıldızı döndüğünde, Morsink, yüzeyindeki parlak nokta, neredeyse bir deniz feneri dönen daireler gibi kiriş gibi Dünya'ya doğru ve uzaklaşıyor. Morsink ve meslektaşları, yıldızın her an tam olarak kaç kez göz kırptığını ve parlak noktanın uzayda ne kadar hızlı hareket ettiğini belirlemek için NICER verilerini dikkatlice inceleyebilir. Ve parlak noktanın hareket hızı, yıldızın dönme hızının ve yarıçapının bir fonksiyonudur. Araştırmacılar dönüş ve hızı anlayabilirlerse, yarıçapın belirlenmesi kolaydır.
2. Işık bükme: Nötron yıldızları o kadar yoğundur ki, NICER yıldızın parlak noktasından fotonları tespit eder ve bu nokta Dünya'dan uzağa işaret edilirken uzaya ateşlenir. Bir nötron yıldızının yerçekimi kuyusu ışığı o kadar keskin bir şekilde bükebilir ki, fotonları NICER'in sensörüne doğru dönüp şapırır. Işık eğriliği oranı ayrıca yıldız yarıçapının ve kütlesinin bir fonksiyonudur. Bu nedenle, Morsink ve meslektaşları bilinen bir kütleye sahip bir yıldızın ışığını ne kadar dikkatlice inceleyerek yıldızın yarıçapını anlayabilirler.
Morsink, araştırmacıların sonuçlarını duyurmaya yakın olduklarını söyledi. (APS konuşmasında birkaç fizikçi, belirli bir sayı açıklamaması ve geleceği heyecanını hafif bir hayal kırıklığı ifade etti.)
Morsink, Live Science'a yaklaşan duyuruyu kızdırmaya çalışmadığını söyledi. NICER, ekibin iyi bir cevap vermesi için henüz yeterli foton toplamadı.
"Bu, fırından çok erken bir pasta çıkarmak gibi: Sadece bir karmaşa ile sonuçlanırsın," dedi.
Ancak fotonlar, NICER'in periyodik çalışma ayları boyunca tek tek geliyorlar. Ve bir cevap yaklaşıyor. Şu anda ekip, J0437-4715 ve Dünya'nın bir sonraki en yakın nötron yıldızından gelen verilere bakıyor.
Morsink, ilk olarak hangi nötron yıldızının ve meslektaşlarının yayınlayacağından emin olmadığını, ancak her iki duyurunun aylar içinde çıkacağını da sözlerine ekledi.
"Bunun amacı, 'yaz' 'ın oldukça geniş anlamda kullanıldığı bu yaz daha sonra gerçekleşecek. "Ama şunu söyleyebilirim ki, Eylül ayına kadar bir şeyimiz olmalı."
