Потребне су 512 године да високоенергетски фотон пређе из најближе неутронске звезде на Земљу. Само неколико њих креће на пут. Али они садрже информације потребне за решавање једног од најтежих питања астрофизике.
Фотони енергично вребају у свемир. Вруће зраке енергије рендгенских зрака истицале су се са површине маленог, ултразвучног, вртоглавог остатка супернове. Греде се рашире током дугих векова. Али, с времена на време, једна тачка рендгенске светлости која је пропутовала 157 парсекса (512 светлосних година) кроз свемир - 32 милиона пута већа удаљеност између Земље и Сунца - троши се против Кс-ове Међународне свемирске станице (ИСС) телескоп назван НИЦЕР. Затим, на Земљи, текстуална датотека уноси нову тачку података: енергију фотона и његово време доласка, мерено микросекундном тачношћу.
Та тачка података, заједно са безброј других сличних прикупљених током месеци, одговориће на основно питање чим буде у лето 2018. Колико је широка Ј0437-4715, најближа земља са неутронским звездама?
Ако истраживачи могу да утврде ширину неутронске звезде, физичарка Схарон Морсинк рекла је гомили научника на састанку Америчког физичког друштва (АПС) априла 2018. године, да би те информације могле указати на пут ка решавању једне од великих мистерија физике честица: Како да ли се материја понаша када је гурнута у своје најлуђе крајности?
На Земљи, с обзиром на постојећу технологију човечанства, постоје строга ограничења у томе колико густе материје могу да добију, чак и у екстремнијим лабораторијама, а још су и већа ограничења у томе колико дуго могу да преживе најгушћа материја. То значи да физичари нису успели да схвате како се честице понашају у екстремним густинама. Једноставно нема много добрих експеримената.
"Постоји неколико различитих методологија које људи излазе како би покушали рећи како се треба понашати супер густа материја, али се сви не слажу", Морсинк, физичар са Универзитета Алберта и члан радне групе НАСА фокусиран на ширину неутронских звезда, рекао је Ливе Сциенце. "А начин на који се сви не слажу заправо се може тестирати, јер сваки од њих предвиђа колико велика може бити неутронска звезда."
Другим речима, решење мистерије ултразвучне материје је закључано унутар неких од најгушћих објеката универзума - неутронских звезда. И научници могу да разбију ту мистерију чим прецизно мере колико су заиста широке (а самим тим и густе) неутронске звезде.
Физика честица у дубоком свемиру
"Неутронске звезде су најневероватнији предмети за које већина људи никада није чула," рекао је научник НАСА-е Завен Арзоуманиан физичарима на састанку у Цолумбусу, Охио.
Арзоуманиан је један од руководилаца НАСА-иног пројекта Неутрон Стар Интернал Цомпоситион Екплорер (НИЦЕР), који чини техничку основу за Морсинков рад. НИЦЕР је велики окретни телескоп постављен на ИСС; прати и тачно времена рендгенских зрака који стижу у подручје ниске орбите Земље из дубоког свемира.
Неутронска звезда је језгро које је заостало након масовне експлозије супернове, али верује се да није много шире од средњег града. Неутронске звезде могу се вртети на високим деловима светлосне брзине, испуштајући трепереће зраке енергије рендгенских зрака у свемир тачније тачно од откуцавања атомског сата.
И што је најважније за сврхе Морсинк и њених колега, неутронске звезде су најгушћи познати објекти у универзуму који се нису урушили у црне рупе - али за разлику од црних рупа, научници могу да схвате шта се у њима дешава. Астрономи само морају тачно знати колико су заиста велике неутронске звезде, а НИЦЕР је инструмент који би коначно требало да одговори на то питање.
Кварчна супа
Научници не знају тачно како се материја понаша у екстремном језгру неутронске звезде, али довољно разумеју да знају да је то врло чудно.
Даниел Ваттс, физичар честица са Универзитета у Единбургху, рекао је засебној публици на АПС конференцији да је унутрашњост неутронске звезде у суштини велики велики упитник.
Научници имају одлична мерења маса неутронских звезда. На пример, маса Ј0437-4715 је око 1,44 пута већа од сунчеве, упркос већој или мањој величини Доњег Менхетна. То значи, рекао је Морсинк, да је Ј0437-4715 далеко гушћа од језгре атома - далеко најгушћи предмет са којим се научници сусрећу на Земљи, где се огромна већина материје атома окупља у само малену мрљу у његовом центру.
На том нивоу густине, објаснио је Ваттс, уопште није јасно како се материја понаша. Кваркови, ситне честице које чине неутроне и протоне, који чине атоме, не могу слободно постојати сами. Али када материја достигне екстремне густине, кваркови би се могли везати за честице сличне онима на Земљи, или формирати веће, сложеније честице или можда заједно у целини претворити у општију супу од честица.
Оно што научници знају, рекао је Ваттс за Ливе Сциенце, да ће детаљи о томе како се материја понаша у екстремним густинама одређивати колико широке неутронске звезде заправо добијају. Дакле, ако научници могу смислити прецизна мерења неутронских звезда, они могу сузити опсег могућности како се материја понаша у тим екстремним условима.
А одговор на то питање, рекао је Ваттс, могао би да откључа одговоре на све врсте мистерија физике честица које немају никакве везе са неутронским звездама. На примјер, рекао је, то би могло помоћи у одговору на то како се поједини неутрони распоређују у језграма врло тешких атома.
За НИЦЕР мере треба време
Верује се да је већина неутронских звезда широка између 12 и 17 миља (20 и 28 километара), мада могу бити уска и 16 км. То је врло уски распон у астрономском смислу, али не баш довољно прецизан да би одговорио на врсту питања која занимају Морсинк и њене колеге.
Да би приступили још прецизнијим одговорима, Морсинк и њене колеге проучавају рендгенске зраке који долазе од брзо вртећих „врућих тачака“ на неутронским звездама.
Иако су неутронске звезде невероватно компактне сфере, њихова магнетна поља узрокују да енергија која силази са њихових површина буде прилично неуједначена. Свијетле мрље формирају се и гљиве на њиховим површинама, вртећи се круговима док се звијезде окрећу много пута у секунди.
Ту долази НИЦЕР. НИЦЕР је велики окретни телескоп монтиран на ИСС који може временом светлост долазити из тих закрпа са невероватном регуларношћу.
То омогућава Морсинку и њеним колегама да проуче две ствари, а обе ове могу им помоћи да схвате радијус неутронске звезде:
1. Брзина ротације: Када се неутронска звезда врти, рекао је Морсинк, светла тачка на њеној површини намигне ка Земљи и даље од ње, готово попут снопа кругова који се окрећу на светионику. Морсинк и њене колеге могу пажљиво проучити податке НИЦЕР-а како би утврдили колико тачно звезда намигне сваки тренутак и колико брзо се светла тачка креће кроз свемир. А брзина кретања сјајне тачке је функција брзине ротације звезде и њеног радијуса. Ако истраживачи могу да утврде ротацију и брзину, радијус је релативно лако одредити.
2. Лагано савијање: Неутронске звезде су толико густе да НИЦЕР може открити фотоне из сјајне тачке звезде која је пуцала у свемир, док је тачка била усмерена од Земље. Гравитација неутронске звезде може савити светлост тако нагло да се њени фотони окрећу ка НИЦЕР-овом сензору. Брзина закривљености светлости је такође функција радијуса звезде и њене масе. Па, пажљивим проучавањем колико звезда са познатом светлосном кривином масе, Морсинк и њене колеге могу да утврде радијус звезде.
А истраживачи су близу објављивања својих резултата, рекао је Морсинк. (Неколико физичара на њеном говору о АПС-у изразило је лако разочарање што није најавила одређени број и узбуђење због тога што долази.)
Морсинк је за "Ливе Сциенце" рекла да не покушава да задиркује надолазећу најаву. НИЦЕР још увек није прикупио довољно фотона да би тим могао да понуди добар одговор.
„То је попут изношења колача из рерне прерано: само што завршите са збрком“, рекла је.
Али фотони стижу, један по један, током НИЦЕР-ових периодичних студија. А одговор се приближава. Тренутно, тим гледа податке из Ј0437-4715 и Земљину следећу најближу неутронску звезду, која је удаљена око два пута.
Морсинк је рекла да није сигурна у радијусу неутронске звезде које ће она и њене колеге објавити први, али додала је да ће обе најаве стићи за неколико месеци.
"Циљ је да се то догоди касније овог лета, где се 'лето' користи у прилично широком смислу", рекла је она. "Али рекао бих да бисмо до септембра требали нешто имати."
