Det tager 512 år for en højenergifoton at rejse fra den nærmeste neutronstjerne til Jorden. Bare et par af dem foretager turen. Men de bærer de oplysninger, der er nødvendige for at løse et af de hårdeste spørgsmål inden for astrofysik.
Fotonerne skyder ud i rummet i et energisk rush. Varme stråler af røntgenenergi brister fra overfladen af den lille, ultradense, roterende rest af en supernova. Bjælkerne spreder sig i lange århundreder under transit. Men en gang imellem ekspanderer en enkelt præg af røntgenlys, der har rejst 157 parsecs (512 lysår) over rummet - 32 millioner gange afstanden mellem Jorden og solen - sig mod Den Internationale Rumstations (ISS) X -ray-teleskop, kaldet NICER. Derefter, nede på Jorden, indtaster en tekstfil et nyt datapunkt: fotonens energi og dens ankomsttid, målt med mikrosekundnøjagtighed.
Dette datapunkt sammen med utallige andre, som det er samlet ind i løbet af måneder, vil besvare et grundlæggende spørgsmål så snart sommeren 2018: Hvor bredt er J0437-4715, Jordens nærmeste neutronstjerne-nabo?
Hvis forskere kan finde ud af bredden af en neutronstjerne, fortalte fysiker Sharon Morsink til en mængde videnskabsmænd på American Physical Society (APS) i april 2018, at information kunne pege vejen mod at løse et af de store mysterier ved partikelfysik: Hvordan opfører sig materie sig, når den skubbes til dens vildeste ytterpunkter?
På jorden, i betragtning af menneskehedens eksisterende teknologi, er der nogle hårde grænser for, hvor tæt materie kan få, selv i ekstreme laboratorier, og endnu hårdere grænser for, hvor længe den tætteste stof, som forskere gør, kan overleve. Det betyder, at fysikere ikke har været i stand til at finde ud af, hvordan partikler opfører sig ved ekstreme tætheder. Der er bare ikke mange gode eksperimenter tilgængelige.
"Der er en række forskellige metoder, som folk kommer frem til for at prøve at sige, hvordan supertæt stof skal opføre sig, men de er ikke alle enige," siger Morsink, en fysiker ved University of Alberta og medlem af en NASA-arbejdsgruppe fokuseret på bredden af neutronstjerner, fortalte Live Science. "Og den måde, de ikke alle er enige på, kan faktisk testes, fordi hver enkelt af dem forudsiger, hvor stor en neutronstjerne kan være."
Med andre ord er løsningen på mysteriet med ultradense stof låst inde i nogle af universets tætteste genstande - neutronstjerner. Og forskere kan knække det mysterium, så snart de måler nøjagtigt, hvor brede (og derfor tætte) neutronstjerner virkelig er.
Partikelfysik i dybe rum
"Neutronstjerner er de mest uhyrlige objekter, som de fleste mennesker aldrig har hørt om," fortalte NASA-videnskabsmand Zaven Arzoumanian fysikere på mødet i Columbus, Ohio.
Arzoumanian er et af lederne af NASAs projekt Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), der danner det tekniske grundlag for Morsinks arbejde. NICER er et stort, drejeligt teleskop monteret på ISS; det overvåger og præcist gentager røntgenstrålerne, der ankommer til området med lav jordskreds fra det dybe rum.
En neutronstjerne er kernen, der er efterladt efter en massiv supernovaeksplosion, men den antages ikke at være meget bredere end en mellemstor by. Neutronstjerner kan rotere ved høje fraktioner af lysets hastighed og skyde flimrende stråler af røntgenstråleenergi ud i rummet med en mere præcis timing end afkrydsningen af atomur.
Og vigtigst af hensyn til Morsink og hendes kollegers formål er neutronstjerner de tætteste kendte objekter i universet, der ikke har kollapset i sorte huller - men i modsætning til sorte huller er det muligt for forskere at finde ud af, hvad der foregår inde i dem. Astronomer skal bare vide nøjagtigt, hvor brede neutronstjerner virkelig er, og NICER er det instrument, der endelig skal besvare det spørgsmål.
Quark suppe
Forskere ved ikke nøjagtigt, hvordan stof opfører sig i den ekstreme kerne af en neutronstjerne, men de forstår nok til at vide, at det er meget underligt.
Daniel Watts, en partikelfysiker ved University of Edinburgh, fortalte et separat publikum på APS-konferencen, at det indre af en neutronstjerne i det væsentlige er et stort stort spørgsmålstegn.
Forskere har nogle fremragende målinger af masserne af neutronstjerner. Massen på J0437-4715 er for eksempel cirka 1,44 gange solen, til trods for at den er mere eller mindre på størrelse med Lower Manhattan. Det betyder, sagde Morsink, at J0437-4715 er langt tættere end kernen i et atom - langt den tætteste genstand, som videnskabsmænd møder på Jorden, hvor langt de fleste af et atoms materiale samles i bare en lille plet i midten.
På det niveau af tæthed, forklarede Watts, er det slet ikke klart, hvordan materien opfører sig. Kvarker, de små partikler, der udgør neutroner og protoner, der udgør atomer, kan ikke eksistere frit på egen hånd. Men når materien når ekstreme tætheder, kan kvarker fortsætte med at binde til partikler, der ligner dem på Jorden, eller danne større, mere komplekse partikler eller måske helt sammen sammen til en mere generaliseret partikelsuppe.
Hvad forskere ved, sagde Watts til Live Science, at detaljerne i, hvordan materie opfører sig ved ekstreme tætheder, vil bestemme, hvor brede neutronstjerner faktisk får. Så hvis forskere kan komme med nøjagtige målinger af neutronstjerner, kan de indsnævre række mulighederne for, hvordan materie opfører sig under disse ekstreme forhold.
Og svaret på det spørgsmål, sagde Watts, kunne låse svar på alle slags partikel-fysiske mysterier, der ikke har noget at gøre med neutronstjerner. For eksempel, sagde han, kunne det hjælpe med at svare på, hvordan individuelle neutroner arrangerer sig i kernerne i meget tunge atomer.
NICER-målinger tager tid
Morsink sagde, at de fleste neutronstjerner er mellem 20 og 28 kilometer brede, men de kan være så smalle som 16 km. Det er en meget smal rækkevidde inden for astronomi, men ikke helt præcis til at besvare de slags spørgsmål Morsink og hendes kolleger er interesseret i.
For at presse mod endnu mere præcise svar studerer Morsink og hendes kolleger røntgenstråler, der kommer fra hurtigt spinding "hotspots" på neutronstjerner.
Selvom neutronstjerner er utroligt kompakte kugler, får deres magnetiske felter energien, der kommer ud af deres overflader, temmelig ujævn. Lyse pletter dannes og svampes på deres overflader og pisker rundt i cirkler, når stjernerne drejer mange gange i sekundet.
Det er her, NICER kommer ind. NICER er et stort, drejeligt teleskop monteret på ISS, der kan sætte tid på lyset, der kommer fra disse patches med utrolig regelmæssighed.
Det giver Morsink og hendes kolleger mulighed for at studere to ting, som begge kan hjælpe dem med at finde ud af en neutronstjerne radius:
1. Rotationshastigheden: Når neutronstjernen snurrer, sagde Morsink, blinker det lyse sted på overfladen mod og væk fra Jorden næsten som bjælken fra et fyrtårn, der drejer cirkler. Morsink og hendes kolleger kan nøje studere NICER-data for at bestemme både nøjagtigt, hvor mange gange stjernen blinker hvert øjeblik, og nøjagtigt hvor hurtigt lyspunktet bevæger sig gennem rummet. Og hastigheden på lyspunktets bevægelse er en funktion af stjernens rotationshastighed og dens radius. Hvis forskere kan finde ud af rotationen og hastigheden, er radius relativt let at bestemme.
2. Let bøjning: Neutronstjerner er så tæt, at NICER kan registrere fotoner fra stjernens lyspunkt, der fyrede ud i rummet, mens stedet blev vendt væk fra Jorden. En neutronstjernens tyngdekraftbrønd kan bøje lys så skarpt, at dens fotoner vender sig mod og smager ind i NICER's sensor. Hastigheden af lyskrumning er også en funktion af stjernens radius og dens masse. Så ved omhyggeligt at studere, hvor meget en stjerne med en kendt masse kurver lys, kan Morsink og hendes kolleger finde ud af stjernens radius.
Og forskerne er tæt på at annoncere deres resultater, sagde Morsink. (Flere fysikere ved hendes APS-tale udtrykte en smule skuffelse over, at hun ikke havde annonceret et specifikt nummer og spænding over, at det var ved at komme.)
Morsink fortalte Live Science, at hun ikke forsøgte at drille den kommende meddelelse. NICER har bare ikke samlet nok fotoner endnu til, at holdet kan give et godt svar.
”Det er som at tage en kage ud af ovnen for tidligt: Du ender bare med et rod,” sagde hun.
Men fotonerne ankommer en efter en i løbet af NICERs måneder med periodisk undersøgelse. Og et svar er at komme tæt på. Lige nu ser teamet på data fra J0437-4715 og Jordens næste nærmeste neutronstjerne, som er cirka dobbelt så langt væk.
Morsink sagde, at hun ikke er sikker på, hvilken neutronstjernens radius hun og hendes kolleger først vil offentliggøre, men hun tilføjede, at begge meddelelser kommer inden for måneder.
"Målet er, at dette skal ske senere i sommer, hvor 'sommeren' bruges i en ret bred forstand," sagde hun. "Men jeg vil sige, at inden september skulle vi have noget."
