Ia mengambil 512 tahun untuk foton tenaga tinggi untuk perjalanan dari bintang neutron terdekat ke Bumi. Hanya beberapa dari mereka yang membuat perjalanan. Tetapi mereka membawa maklumat yang diperlukan untuk menyelesaikan salah satu soalan paling sukar dalam astrofizik.
Gambar-gambar foton menembak ke angkasa dalam keadaan tergesa-gesa yang bertenaga. Rasuk panas tenaga sinar-X meletup dari permukaan yang kecil, ultradense, sisa berputar supernova. Rasuk disebarkan berabad-abad lamanya dalam transit. Tetapi setiap sekali-sekala, satu titik sinar X-ray yang mengembara 157 parsec (512 tahun cahaya) di ruang angkasa - 32 juta kali jarak antara Bumi dan matahari - membelanjakannya sendiri terhadap Stesen Angkasa Antarabangsa (ISS) X -ray teleskop, dijuluki NICER. Kemudian, di bawah Bumi, satu fail teks memasuki titik data baru: tenaga foton dan masa ketibaan, diukur dengan ketepatan mikrosek.
Titik data itu, bersama dengan orang lain seperti yang dikumpul selama beberapa bulan, akan menjawab soalan asas sebaik sahaja musim panas 2018: Seberapa luasnya J0437-4715, jiran neutron bintang bumi terdekat?
Sekiranya penyelidik dapat memikirkan lebar bintang neutron, ahli fizik Sharon Morsink memberitahu ramai saintis di Persatuan Fizikal Amerika (APS) April 2018, maklumat itu dapat menunjukkan cara untuk menyelesaikan salah satu misteri fizik zarah yang besar: Bagaimana apakah perkara yang berlaku apabila ditolak kepada ekstrem yang paling liar?
Di Bumi, diberikan teknologi sedia ada manusia, terdapat beberapa batasan keras mengenai bagaimana bahan padat dapat diperolehi, walaupun dalam makmal yang melampau, dan bahkan lebih keras pada berapa lama para ahli sains yang paling padat dapat bertahan. Maksudnya, ahli fizik tidak dapat mengetahui bagaimana zarah bertindak pada kepadatan yang melampau. Hanya terdapat banyak eksperimen yang baik.
"Terdapat beberapa metodologi yang berbeza yang digunakan oleh orang untuk mencuba untuk mengatakan bagaimana perkara yang hebat harus berkelakuan, tetapi mereka tidak bersetuju," kata Morsink, ahli fizik di University of Alberta dan ahli kumpulan kerja NASA memberi tumpuan kepada lebar bintang neutron, memberitahu Live Science. "Dan cara yang mereka tidak semua setuju sebenarnya boleh diuji kerana setiap mereka membuat ramalan betapa besarnya bintang neutron."
Dalam erti kata lain, penyelesaian kepada misteri perkara ultradense terkunci di dalam beberapa objek bersayap alam semesta - bintang neutron. Dan ahli-ahli sains boleh memecahkan misteri itu sebaik sahaja mereka mengukur dengan tepat betapa luasnya neutron (dan, oleh itu, padat) bintang neutron.
Fizik zarah dalam ruang yang mendalam
"Bintang Neutron adalah objek paling keterlaluan yang kebanyakan orang tidak pernah dengar," ahli sains NASA, Zaven Arzoumanian memberitahu ahli fizik pada pertemuan di Columbus, Ohio.
Arzoumanian adalah salah satu daripada ketua projek Neutron Bintang Komposisi Interior NASA (NICER) NASA, yang membentuk asas teknikal untuk kerja Morsink. NICER adalah teleskop yang besar dan swivel yang dipasang di ISS; ia memantau dan tepat kali sinar-X yang tiba di kawasan orbit bumi rendah dari ruang dalam.
Bintang neutron adalah inti ketinggalan selepas letupan supernova besar-besaran, tetapi ia dipercayai tidak jauh lebih luas daripada bandar midsize. Bintang Neutron boleh berputar pada pecahan tinggi kelajuan cahaya, menembusi sinar berkilau sinar-X tenaga ke ruang dengan masa yang lebih tepat daripada berdetik jam atom.
Dan yang paling penting untuk tujuan Morsink dan rakan-rakannya, bintang-bintang neutron adalah objek terkejut di alam semesta yang tidak runtuh ke dalam lubang hitam - tetapi tidak seperti lubang hitam, mungkin para saintis memikirkan apa yang berlaku di dalamnya. Ahli astronomi hanya perlu tahu dengan tepat betapa bintang neutron yang luas, dan NICER adalah alat yang akhirnya harus menjawab soalan itu.
Quark sup
Para saintis tidak tahu persis bagaimana perkara berperilaku dalam inti neutron bintang neutron, tetapi mereka cukup memahami untuk mengetahui bahawa ia sangat pelik.
Daniel Watts, ahli fizik zarah di Universiti Edinburgh, memberitahu penonton berasingan di persidangan APS bahawa pedalaman bintang neutron pada dasarnya adalah tanda tanya besar.
Para saintis mempunyai beberapa ukuran yang sangat baik dari massa bintang neutron. Jisim J0437-4715, sebagai contoh, adalah kira-kira 1.44 kali matahari, walaupun lebih kurang saiz Lower Manhattan. Maksudnya, Morsink berkata, bahawa J0437-4715 jauh lebih padat daripada nukleus atom - setakat ini objek paling padat yang dihadapi para saintis di Bumi, di mana sebahagian besar bahan atom mengumpul hanya sedikit speck di tengahnya.
Pada ketumpatan itu, Watts menjelaskan, ia sama sekali tidak jelas bagaimana keadaan berkelakuan. Quarks, zarah-zarah kecil yang membentuk neutron dan proton, yang membentuk atom, tidak boleh wujud dengan bebas sendiri. Tetapi apabila bahan mencapai kepadatan yang melampau, quark dapat terus mengikat zarah sama seperti yang ada di Bumi, atau membentuk zarah yang lebih besar, lebih rumit, atau mungkin menyerapkan sepenuhnya ke dalam sup zarah yang lebih umum.
Apa yang saintis saintis tahu, Watts memberitahu Live Science, ialah butiran tentang bagaimana perkara yang berlaku pada ketumpatan yang melampau akan menentukan betapa luasnya bintang neutron sebenarnya. Oleh itu jika saintis boleh menghasilkan pengukuran tepat bintang-bintang neutron, mereka boleh mengecilkan pelbagai kemungkinan untuk bagaimana keadaan berkelakuan di bawah keadaan yang melampau.
Dan menjawab soalan itu, kata Watts, dapat membuka kunci jawapan kepada segala macam misteri zarah-fizik yang tidak ada kaitan dengan bintang-bintang neutron. Sebagai contoh, katanya, ia dapat membantu menjawab bagaimana neutron individu mengatur diri mereka dalam nukleus atom yang sangat berat.
Pengukuran NICER mengambil masa
Kebanyakan bintang neutron, Morsink berkata, dipercayai berada di antara 12 dan 17 batu (20 dan 28 kilometer) luas, walaupun mereka mungkin seramai 10 km (16 km). Itulah julat yang sangat sempit dalam istilah astronomi tetapi tidak cukup tepat untuk menjawab jenis soalan Morsink dan rakan-rakannya yang berminat.
Untuk menekan jawapan yang lebih tepat, Morsink dan rakannya belajar sinar-X yang datang dari "titik panas" berputar dengan cepat pada bintang neutron.
Walaupun bintang neutron adalah sfera yang sangat padat, medan magnetnya menyebabkan tenaga keluar dari permukaan mereka menjadi tidak seimbang. Tompok-tompok terang dan bentuk cendawan pada permukaan mereka, mencambuk di sekelilingnya apabila bintang-bintang bertukar banyak kali sesaat.
Di sinilah NICER masuk. NICER adalah teleskop yang besar dan berputar di ISS yang boleh menyalakan cahaya dari patch-patch tersebut dengan keteraturan yang luar biasa.
Itu membolehkan Morsink dan rakan-rakannya mempelajari dua perkara, yang kedua-duanya dapat membantu mereka memikirkan radius bintang neutron:
1. Kelajuan putaran: Apabila bintang neutron berputar, Morsink berkata, tempat yang terang di permukaannya berkedip ke arah dan jauh dari Bumi hampir seperti rasuk dari bulatan lampu rumah. Morsink dan rakan-rakannya boleh mengkaji dengan teliti data NICER untuk menentukan sama ada berapa kali bintang itu mengenyit setiap saat dan betapa pantas tempat terang bergerak melalui ruang angkasa. Dan kelajuan gerakan titik terang adalah fungsi laju putaran bintang dan jejarinya. Sekiranya penyelidik boleh memikirkan putaran dan kelajuan, radius agak mudah ditentukan.
2. Lenturan cahaya: Bintang Neutron begitu padat sehingga NICER dapat mengesan foton dari tempat terang bintang yang dipecat ke angkasa sementara tempat itu dituju jauh dari Bumi. Kelebihan graviti bintang neutron boleh membengkokkan cahaya dengan begitu ketara sehingga fotonnya berpaling dan memancar ke sensor NICER. Kadar kelengkungan cahaya juga merupakan fungsi jejari bintang dan jisimnya. Oleh itu, dengan berhati-hati mengkaji berapa banyak bintang yang mempunyai cahaya kurungan massa yang diketahui, Morsink dan rakan-rakannya dapat memikirkan jejari bintang.
Dan penyelidik hampir mengumumkan keputusan mereka, kata Morsink. (Beberapa ahli fizik di ceramah APS menyatakan sedikit kekecewaan bahawa dia tidak mengumumkan nombor khusus, dan keseronokan bahawa ia akan datang.)
Morsink memberitahu Live Science bahawa dia tidak cuba menggoda pengumuman yang akan datang. NICER hanya belum mengumpulkan cukup foton untuk pasukan itu menawarkan jawapan yang baik.
"Ia seperti mengambil kek dari ketuhar terlalu awal: Anda hanya berakhir dengan kekacauan," katanya.
Tetapi foton tiba, satu demi satu, semasa kajian berkala NICER. Dan jawapannya semakin dekat. Buat masa ini, pasukan sedang mencari data dari J0437-4715 dan bintang neutron terdekat terdekat bumi, iaitu kira-kira dua kali jauh.
Morsink berkata dia tidak pasti radius bintang neutron dia dan rakan-rakannya akan menerbitkannya terlebih dahulu, tetapi dia menambah bahawa kedua-dua pengumuman itu akan datang dalam beberapa bulan.
"Matlamatnya adalah untuk ini berlaku pada musim panas ini, di mana 'musim panas' digunakan dalam erti kata yang cukup luas," katanya. "Tetapi saya akan mengatakan bahawa pada September, kita sepatutnya mempunyai sesuatu."
