Når en stor stjerne gennemgår gravitationskollaps nær slutningen af sin levetid, er en neutronstjerne ofte resultatet. Dette er, hvad der er tilbage, efter at de ydre lag af stjernen er blevet sprængt i en massiv eksplosion (dvs. en supernova), og kernen er komprimeret til ekstrem densitet. Derefter stiger stjernens rotationshastighed markant, og hvor de udsender stråler af elektromagnetisk stråling, bliver de "pulsarer".
Og nu, 50 år efter, at de første gang blev opdaget af den britiske astrofysiker Jocelyn Bell, er den første mission, der er afsat til studiet af disse genstande, ved at blive monteret. Det er kendt som Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), et to-delt eksperiment, der vil blive udsendt til den internationale rumstation i sommer. Hvis alt går godt, vil denne platform kaste lys over et af de største astronomiske mysterier og afprøve nye teknologier.
Astronomer har studeret neutronstjerner i næsten et århundrede, hvilket har givet nogle meget præcise målinger af deres masser og radier. Det, der faktisk viser sig i det indre af en neutronstjerne, forbliver imidlertid et vedvarende mysterium. Mens mange modeller er blevet avanceret, der beskriver fysikken, der styrer deres interiør, er det stadig uklart, hvordan stof ville opføre sig under disse typer forhold.
Ikke overraskende, da neutronstjerner typisk holder ca. 1,4 gange massen af vores Sol (eller 460.000 gange jordens masse) inden for et rumvolumen, der er på størrelse med en by. Denne form for situation, hvor en betydelig mængde stof er pakket i et meget lille volumen - hvilket resulterer i knusning af tyngdekraften og en utrolig materitetstæthed - ses ikke andre steder i Universet.
Som Keith Gendreau, en videnskabsmand ved NASAs Goddard Space Flight Center, forklarede i en nylig pressemeddelelse fra NASA:
”Materiens natur under disse forhold er et årtier gammelt uløst problem. Teori har fremskaffet en række modeller for at beskrive fysikken, der styrer det indre af neutronstjerner. Med NICER kan vi endelig teste disse teorier med præcise observationer. ”
NICE blev udviklet af NASA's Goddard Space Flight Center med hjælp fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), Naval Research Laboratory og universiteter over hele USA og Canada. Det består af et køleskabstørrelse, der indeholder 56 røntgen-teleskoper og siliciumdetektorer. Selvom det oprindeligt var beregnet til at blive indsat sent i 2016, blev et lanceringsvindue først tilgængeligt før i år.
Når den først er installeret som en ekstern nyttelast ombord på ISS, indsamler den data om neutronstjerner (hovedsageligt pulsarer) over en 18-måneders periode ved at observere neutronstjerner i røntgenbåndet. Selvom disse stjerner udsender stråling over hele spektret, antages røntgenobservationer at være de mest lovende, når det kommer til at afsløre ting om deres struktur og forskellige fænomener med høj energi forbundet med dem.
Disse inkluderer stjerneskælv, termonukleare eksplosioner og de mest magtfulde magnetfelter kendt i universet. For at gøre dette vil NICER indsamle røntgenstråler genereret fra disse stjerners magnetiske felter og magnetiske poler. Dette er nøglen, da det er ved polerne, at styrken af en neutronstjerns magnetiske felter får partikler til at blive fanget og regne ned på overfladen, hvilket producerer røntgenstråler.
I pulsarer er det disse intense magnetfelter, der får energiske partikler til at blive fokuserede stråler. Disse bjælker er det, der giver pulsarer deres navn, da de ser ud som blink takket være stjernens rotation (hvilket giver dem deres "fyrtårn" -lignende udseende). Som fysikere har observeret, er disse pulsationer forudsigelige og kan derfor bruges på samme måde som atomur og Global Positioning System her på Jorden.
Mens det primære mål for NICER er videnskab, giver det også muligheden for at teste nye former for teknologi. F.eks. Vil instrumentet blive brugt til at udføre den første nogensinde demonstration af autonom røntgenpulsar-baseret navigation. Som en del af Station Explorer for røntgen-timing og navigeringsteknologi (SEXTANT), bruger teamet NICER's teleskoper til at detektere røntgenstråler, der genereres af pulsarer til at estimere ankomsttiderne for deres pulser.
Holdet bruger derefter specifikt designet algoritmer til at skabe en indbygget navigationsløsning. I fremtiden kunne interstellare rumskibe teoretisk stole på dette for at beregne deres placering autonomt. Dette gør det muligt for dem at finde vej i rummet uden at skulle stole på NASAs Deep Space Network (DSN), der betragtes som det mest følsomme telekommunikationssystem i verden.
Udover navigation håber NICER-projektet også at gennemføre den første nogensinde test af levedygtigheden af røntgenbaseret kommunikation (XCOM). Ved at bruge røntgenstråler til at sende og modtage data (på samme måde som vi i øjeblikket bruger radiobølger), kunne rumfartøjer overføre data med frekvensen af gigabits pr. Sekund over interplanetære afstande. En sådan kapacitet kunne revolutionere den måde, vi kommunikerer med besætningsopgaver, rover og orbiters.
Centralt i begge demonstrationer er den modulerede røntgenkilde (MXS), som NICER-teamet udviklede til at kalibrere nyttelastens detektorer og teste navigationsalgoritmerne. Genererer røntgenstråler med hurtig varierende intensitet (ved at tænde og slukke mange gange i sekundet), vil denne enhed simulere en neutronstjernes pulseringer. Som Gendreau forklarede:
”Dette er et meget interessant eksperiment, som vi laver på rumstationen. Vi har haft en masse stor støtte fra videnskabs- og rumteknologifolk på NASAs hovedkvarter. De har hjulpet os med at fremme teknologierne, der gør NICER mulige såvel som de, som NICER vil demonstrere. Missionen er flammende stier på flere forskellige niveauer. ”
Man håber, at MXS vil være klar til at blive sendt til stationen engang næste år; på hvilket tidspunkt kan navigations- og kommunikationsdemonstrationer begynde. Og det forventes, at teamet inden den 25. juli, der markerer 50-årsdagen for Bell's opdagelse, har samlet nok data til at præsentere fund på videnskabelige konferencer, der er planlagt til senere på året.
Hvis det lykkes, kunne NICER revolutionere vores forståelse af, hvordan neutronstjerner (og hvordan stof opfører sig i en super tæt tilstand) opfører sig. Denne viden kan også hjælpe os med at forstå andre kosmologiske mysterier såsom sorte huller. Dertil kommer, at røntgenkommunikation og -navigation kunne revolutionere rumforskning og rejse, som vi kender det. Ud over at give større afkast fra robotopgaver placeret tættere på hjemmet, kan det også muliggøre mere lukrative missioner til steder i det ydre solsystem og endda ud over.
