Die NASA wird diesen Sommer ein massives Physik-Rätsel lösen

Es dauert 512 Jahre, bis ein hochenergetisches Photon vom nächsten Neutronenstern zur Erde gelangt. Nur ein paar von ihnen machen die Reise. Aber sie tragen die Informationen, die notwendig sind, um eine der schwierigsten Fragen der Astrophysik zu lösen.

Die Photonen schießen in einem energetischen Rausch in den Weltraum. Heiße Strahlen der Röntgenenergie platzten von der Oberfläche des winzigen, ultradünnen, sich drehenden Überrests einer Supernova. Die Balken verteilen sich über lange Jahrhunderte im Transit. Aber hin und wieder weht ein einzelner Punkt Röntgenlicht, der 156 Parsek (512 Lichtjahre) durch den Raum - 32 Millionen mal die Entfernung zwischen Erde und Sonne - durchquert gegen die ISS X der Internationalen Raumstation -Ray-Teleskop, Spitzname NICER. Dann, unten auf der Erde, tritt eine Textdatei in einen neuen Datenpunkt ein: die Energie des Photons und seine Ankunftszeit, gemessen mit Mikrosekundengenauigkeit.

Dieser Datenpunkt wird zusammen mit zahllosen anderen, wie sie im Laufe der Monate gesammelt wurden, bereits im Sommer 2018 eine grundlegende Frage beantworten: Wie breit ist J0437-4715, der nächste Neutronenstern der Erde?

Wenn Forscher die Breite eines Neutronensterns herausfinden können, sagte die Physikerin Sharon Morsink einer Gruppe von Wissenschaftlern auf der Tagung der American Physical Society (APS) im April 2018, dass Informationen den Weg zur Lösung eines der großen Rätsel der Teilchenphysik weisen könnten: Wie ist es wichtig, sich zu verhalten, wenn es auf seine wildesten Extreme gebracht wird? [10 Futuristische Technologien 'Star Trek' Fans würden lieben]

Auf der Erde gibt es angesichts der vorhandenen Technologie der Menschheit einige harte Grenzen dafür, wie dichte Materie selbst in extremen Laboratorien erhalten kann, und noch härtere Grenzen dafür, wie lange die Wissenschaftler der dichtesten Materie überleben können. Das bedeutet, dass Physiker nicht in der Lage waren, herauszufinden, wie sich Partikel in extremen Dichten verhalten. Es gibt einfach nicht viele gute Experimente.

"Es gibt eine Reihe von unterschiedlichen Methoden, mit denen die Leute versuchen zu sagen, wie sich super-dichte Materie verhalten sollte, aber sie sind sich nicht einig", sagt Morsink, Physiker an der University of Alberta und Mitglied einer NASA-Arbeitsgruppe konzentrierte sich auf die Breite von Neutronensterne, sagte Live Science. "Und die Art und Weise, dass sie nicht alle übereinstimmen, kann tatsächlich getestet werden, da jeder von ihnen eine Vorhersage darüber macht, wie groß ein Neutronenstern sein kann."

Mit anderen Worten, die Lösung des Mysteriums der ultradünnen Materie ist in einigen der dichtesten Objekte des Universums, den Neutronensternen, eingeschlossen. Und Wissenschaftler können dieses Mysterium knacken, sobald sie genau messen, wie groß (und daher dicht) Neutronensterne wirklich sind.

Teilchenphysik im Weltraum

"Neutronensterne sind die unverschämtesten Objekte, von denen die meisten Menschen noch nie gehört haben", sagte NASA-Wissenschaftler Zaven Arzoumanian auf dem Treffen in Columbus, Ohio.

Arzoumanian ist einer der Leiter des NASA-Projekts Neutronenstern Interior Composition Explorer (NICER), das die technische Grundlage für Morsinks Arbeit bildet. NICER ist ein großes, schwenkbares Teleskop auf der ISS; Es überwacht und präzisiert genau die Röntgenstrahlen, die aus dem Weltraum in das Gebiet der niedrigen Erdumlaufbahn gelangen.

Ein Neutronenstern ist der Kern, der nach einer massiven Supernova-Explosion zurückbleibt, aber es wird angenommen, dass er nicht viel breiter ist als eine mittelgroße Stadt. Neutronensterne können sich mit hohen Lichtgeschwindigkeitsraten drehen und flackernde Röntgenstrahlenstrahlen mit präziseren Zeitpunkten in den Weltraum abfeuern als das Ticken von Atomuhren.

Und am wichtigsten für die Zwecke von Morsink und ihren Kollegen sind Neutronensterne die dichtesten bekannten Objekte im Universum, die nicht in Schwarze Löcher kollabiert sind - aber anders als bei Schwarzen Löchern ist es Wissenschaftlern möglich, herauszufinden, was in ihnen vor sich geht. Astronomen müssen nur genau wissen, wie breit Neutronensterne wirklich sind, und NICER ist das Instrument, das diese Frage endlich beantworten sollte.

Quarksuppe

Wissenschaftler wissen nicht genau, wie sich die Materie im äußersten Kern eines Neutronensterns verhält, aber sie verstehen genug, um zu wissen, dass es sehr seltsam ist.

Daniel Watts, Teilchenphysiker an der Universität von Edinburgh, sagte auf der APS-Konferenz vor einem separaten Publikum, dass das Innere eines Neutronensterns im Wesentlichen ein großes Fragezeichen ist.

Die Wissenschaftler haben ausgezeichnete Messungen der Neutronensterne. Die Masse von J0437-4715 zum Beispiel ist etwa 1,44 mal so groß wie die der Sonne, obwohl sie mehr oder weniger so groß wie Lower Manhattan ist. Das bedeutet, sagte Morsink, dass J0437-4715 viel dichter ist als der Kern eines Atoms - bei weitem das dichteste Objekt, dem Wissenschaftler auf der Erde begegnen, wo sich die große Mehrheit der Materie eines Atoms in einem winzigen Fleck in seinem Zentrum sammelt.

Bei diesem Grad der Dichte erklärte Watts, es sei gar nicht klar, wie sich die Materie verhält. Quarks, die winzigen Teilchen, die Neutronen und Protonen bilden, die Atome bilden, können nicht frei von selbst existieren. Aber wenn die Materie extreme Dichten erreicht, können sich Quarks weiter an Teilchen binden, die denen auf der Erde ähnlich sind, oder größere, komplexere Teilchen bilden oder vielleicht ganz zu einer verallgemeinerten Teilchensuppe zusammenballen. [7 Seltsame Fakten über Quarks]

Was Wissenschaftler wissen, sagte Watts Live Science, ist, dass die Details darüber, wie sich Materie bei extremen Dichten verhält, bestimmen werden, wie groß die Neutronensterne tatsächlich werden. Wenn Wissenschaftler also genaue Messungen von Neutronensternen durchführen können, können sie die Möglichkeiten einschränken, wie sich die Materie unter diesen extremen Bedingungen verhält.

Watts sagte, diese Frage beantworten zu können, könnte Antworten auf alle möglichen Teilchenphysik-Geheimnisse freischalten, die nichts mit Neutronensternen zu tun haben. Zum Beispiel könnte er helfen zu beantworten, wie sich einzelne Neutronen in den Kernen sehr schwerer Atome anordnen.

NICER-Messungen brauchen Zeit

Die meisten Neutronensterne sollen zwischen 20 und 28 Kilometer breit sein, obwohl sie so eng wie 16 Kilometer sein könnten. Das ist ein sehr enger Bereich in der Astronomie, aber nicht genau genug, um die Art von Fragen zu beantworten, an der sich Morsink und ihre Kollegen interessieren.

Um auf noch präzisere Antworten zu drängen, untersuchen Morsink und ihre Kollegen Röntgenstrahlen, die von schnell rotierenden "Hotspots" auf Neutronensternen kommen.

Obwohl Neutronensterne unglaublich kompakte Kugeln sind, verursachen ihre Magnetfelder, dass die Energie, die von ihren Oberflächen kommt, ziemlich ungleichmäßig ist. Helle Flecken bilden und pilzen auf ihren Oberflächen und schlagen in Kreisen umher, während die Sterne viele Male eine Sekunde sich drehen.

Hier kommt NICER ins Spiel. NICER ist ein großes, schwenkbares Teleskop, das auf der ISS montiert ist und das Licht von diesen Flecken mit unglaublicher Regelmäßigkeit messen kann.

Das erlaubt Morsink und ihren Kollegen, zwei Dinge zu studieren, die ihnen helfen können, den Radius eines Neutronensterns herauszufinden:

1. Die Geschwindigkeit der Rotation: Wenn der Neutronenstern sich dreht, sagte Morsink, der helle Fleck auf seiner Oberfläche blinzelte zur Erde hin und von ihr weg, fast wie der Strahl eines Leuchtturms, der Kreise umkreist. Morsink und ihre Kollegen können die NICER-Daten genau studieren, um genau zu bestimmen, wie oft der Stern jeden Moment blinkt und wie schnell sich der helle Fleck durch den Raum bewegt. Und die Geschwindigkeit der Bewegung des hellen Flecks ist eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit und des Radius des Sterns. Wenn Forscher die Rotation und Geschwindigkeit herausfinden können, ist der Radius relativ einfach zu bestimmen.

2. leichtes biegen: Neutronensterne sind so dicht, dass NICER Photonen vom hellen Punkt des Sterns erkennen kann, der in den Weltraum geschossen hat, während der Punkt von der Erde weg gerichtet war. Die Gravitationsquelle eines Neutronensterns kann das Licht so stark ablenken, dass seine Photonen auf den Sensor von NICER zu und auf ihn auftreffen. Die Geschwindigkeit der Lichtkrümmung ist auch eine Funktion des Sternradius und seiner Masse. Indem Morsink und ihre Kollegen sorgfältig untersuchen, wie sehr ein Stern mit einer bekannten Masse das Licht durchkämmt, können sie den Radius des Sterns herausfinden.

Und die Forscher sind kurz davor, ihre Ergebnisse bekannt zu geben, sagte Morsink. (Mehrere Physiker bei ihrem APS-Vortrag äußerten leichte Enttäuschung darüber, dass sie keine bestimmte Nummer angekündigt hatte, und die Aufregung, dass es kommen würde.)

Morsink sagte Live Science, dass sie nicht versucht habe, die bevorstehende Ankündigung zu reizen. NICER hat noch nicht genug Photonen gesammelt, damit das Team eine gute Antwort geben kann.

"Es ist so, als würde man einen Kuchen zu früh aus dem Ofen nehmen: Man hat nur ein Durcheinander", sagte sie.

Aber die Photonen kommen während der monatelangen periodischen Studie von NICER eins nach dem anderen an. Und eine Antwort kommt näher. Im Moment untersucht das Team die Daten von J0437-4715 und dem nächsten Neutronenstern der Erde, der etwa doppelt so weit entfernt ist.

Morsink sagte, sie sei nicht sicher, welchen Radius der Neutronenstern sie und ihre Kollegen zuerst veröffentlichen würden, aber sie fügte hinzu, dass beide Ankündigungen innerhalb von Monaten kommen werden.

"Das Ziel ist, dass dies später in diesem Sommer geschieht, wo" Sommer "in einem ziemlich breiten Sinn verwendet wird", sagte sie. "Aber ich würde sagen, dass wir bis September etwas haben sollten."

Ursprünglich veröffentlicht am Live-Wissenschaft.