Коли велика зірка зазнає гравітаційного колапсу ближче до кінця свого життя, часто виникає нейтронна зірка. Це те, що залишається після того, як зовнішні шари зірки були зруйновані масивним вибухом (тобто надновою) і ядро стиснулося до надзвичайної щільності. Після цього швидкість обертання зірки значно збільшується, і там, де вони випускають пучки електромагнітного випромінювання, вони стають «пульсарами».
І тепер, через 50 років після того, як їх вперше виявила британська астрофізика Джоселін Белл, ось-ось розпочнеться перша місія, присвячена вивченню цих об’єктів. Він відомий як Дослідник композицій інтер'єру нейтронної зірки (NICER), експеримент із двох частин, який буде розгорнуто на Міжнародна космічна станція цього літа. Якщо все піде добре, ця платформа проллє світло на одну з найбільших астрономічних таємниць і випробує нові технології.
Астрономи вже майже століття вивчають нейтронні зірки, які дали дуже точні вимірювання їх мас і радіусів. Однак те, що насправді відбувається усередині нейтронної зірки, залишається незмінною таємницею. Хоча було розроблено численні моделі, які описують фізику, що керує їхніми внутрішніми приміщеннями, досі неясно, як буде поводитися матерія в таких умовах.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/transcoded/4/4d/Millisecond_pulsar_and_accretion_disk_-_NASA_animation_%28hi-res%29.ogv/Millisecond_pulsar_and_accretion_disk_-_NASA_animation_p%28%.48%.Не дивно, оскільки нейтронні зірки зазвичай утримують приблизно в 1,4 рази масу нашого Сонця (або в 460 000 разів більше маси Землі) в об’ємі простору розміром з місто. Такого роду ситуація, коли значна кількість матерії упакована в дуже малий об’єм, що призводить до руйнування гравітації та неймовірної щільності матерії, не зустрічається більше ніде у Всесвіті.
Як пояснив Кіт Жандро, вчений з Центру космічних польотів імені Годдарда NASA в нещодавній публікації NASA. заява для преси :
«Природа матерії за цих умов є невирішеною проблемою десятиліть. Теорія розробила безліч моделей для опису фізики, що керує внутрішніми частинами нейтронних зірок. З NICER ми нарешті можемо перевірити ці теорії точними спостереженнями».
NICE був розроблений Центром космічних польотів імені Годдарда NASA за підтримки Массачусетського технологічного інституту (MIT), Лабораторії військово-морських досліджень та університетів США та Канади. Він складається з апарату розміром з холодильник, який містить 56 рентгенівських телескопів і кремнієвих детекторів. Хоча спочатку його планувалося розгорнути наприкінці 2016 року, вікно запуску стало доступним лише цього року.
Після встановлення в якості зовнішнього корисного навантаження на борту МКС він буде збирати дані про нейтронні зірки (в основному пульсари) протягом 18-місячного періоду шляхом спостереження за нейтронними зірками в рентгенівському діапазоні. Незважаючи на те, що ці зірки випромінюють випромінювання по всьому спектру, рентгенівські спостереження вважаються найбільш перспективними, коли справа доходить до розкриття інформації про їх структуру та різноманітних високоенергетичних явищ, пов’язаних з ними.
SEXTANT продемонструє можливість визначення абсолютного положення, подібну до GPS, шляхом спостереження за мілісекундними пульсарами. Авторство: NASA
До них належать зірки, термоядерні вибухи та найпотужніші магнітні поля, відомі у Всесвіті. Для цього NICER збирає рентгенівські промені, створені магнітними полями та магнітними полюсами цих зірок. Це є ключовим, оскільки саме на полюсах сила магнітних полів нейтронної зірки викликає захоплення частинок і дощ на поверхню, що створює рентгенівське випромінювання.
У пульсарах саме ці інтенсивні магнітні поля змушують енергійні частинки перетворюватися на сфокусовані пучки випромінювання. Саме ці промені дають пульсарам назву, оскільки вони виглядають як спалахи завдяки обертанню зірки (надаючи їм вигляд «маяка»). Як помітили фізики, ці пульсації є передбачуваними, і тому їх можна використовувати так само, як атомні годинники та глобальна система позиціонування тут, на Землі.
Хоча основною метою NICER є наука, він також пропонує можливість тестування нових форм технології. Наприклад, інструмент буде використовуватися для проведення першої в історії демонстрації автономної навігації на основі рентгенівських пульсарів. У рамках Station Explorer для рентгенівського часу та навігаційної технології (SEXTANT), команда використовуватиме телескопи NICER для виявлення рентгенівських променів, які генеруються пульсарами, щоб оцінити час прибуття їхніх імпульсів.
Потім команда використовуватиме спеціально розроблені алгоритми для створення бортового навігаційного рішення. У майбутньому міжзоряні космічні кораблі теоретично можуть покладатися на це для автономного розрахунку свого місцезнаходження. Це дозволить їм знайти шлях у космосі, не покладаючись на NASA Мережа глибокого космосу (DSN), яка вважається найбільш чутливою телекомунікаційною системою у світі.
Крім навігації, проект NICER також сподівається провести перше в історії випробування життєздатності Зв'язок на основі рентгенівських променів (XCOM). Використовуючи рентгенівські промені для надсилання та отримання даних (так само, як ми зараз використовуємо радіохвилі), космічний апарат міг передавати дані зі швидкістю гігабіт в секунду на міжпланетні відстані. Така здатність може змінити спосіб спілкування з екіпажами, марсоходами та орбітальними апаратами.
Центральне місце в обох демонстраціях займає Модульоване джерело рентгенівського випромінювання (MXS), яку команда NICER розробила для калібрування детекторів корисного навантаження та тестування навігаційних алгоритмів. Генеруючи рентгенівське випромінювання зі швидко змінною інтенсивністю (вмикаючись і вимикаючи багато разів на секунду), цей пристрій буде моделювати пульсації нейтронної зірки. Як Жандро пояснив :
«Це дуже цікавий експеримент, який ми проводимо на космічній станції. Ми отримали велику підтримку з боку фахівців з науки та космічних технологій у штаб-квартирі NASA. Вони допомогли нам розвивати технології, які роблять можливим NICER, а також ті, які NICER продемонструє. Місія прокладає шляхи на кількох різних рівнях».
Сподіваємося, що MXS буде готовий до відправлення на станцію десь наступного року; тоді могли розпочатися демонстрації навігації та зв’язку. І очікується, що до 25 липня, що відзначатиме 50-ту річницю відкриття Белла, команда збере достатньо даних, щоб представити результати на наукових конференціях, запланованих на кінець цього року.
У разі успіху NICER може змінити наше розуміння того, як поводяться нейтронні зірки (і як матерія поводиться в надщільному стані). Ці знання можуть також допомогти нам зрозуміти інші космологічні таємниці, такі як чорні діри. Крім того, рентгенівський зв’язок і навігація можуть революціонізувати дослідження космосу та подорожі, якими ми його знаємо. На додаток до більшої віддачі від роботизованих місій, розташованих ближче до дому, він також міг би забезпечити більш прибуткові місії в місцях у зовнішній Сонячній системі та навіть за її межами.
Подальше читання: НАСА