När en stor stjärna genomgår gravitationskollaps i slutet av sin livslängd är ofta en neutronstjärna. Detta är vad som återstår efter att de yttre lagren av stjärnan har blåst av i en massiv explosion (dvs en supernova) och kärnan har komprimerat till extrem densitet. Därefter ökar stjärnans rotationshastighet avsevärt, och där de avger strålar av elektromagnetisk strålning, blir de "pulsare".
Och nu, 50 år efter att de först upptäcktes av den brittiska astrofysiker Jocelyn Bell, är det första uppdraget som ägnas åt studiet av dessa objekt på väg att monteras. Det är känt som Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), ett tvådelat experiment som kommer att distribueras till den internationella rymdstationen i sommar. Om allt går bra kommer denna plattform att belysa ett av de största astronomiska mysterierna och testa ut ny teknik.
Astronomer har studerat neutronstjärnor i nästan ett sekel, vilket har gett några mycket exakta mätningar av deras massor och radier. Men vad som faktiskt inträffar i det inre av en neutronstjärna är fortfarande ett bestående mysterium. Medan många modeller har avancerat som beskriver fysiken som styr deras inredning, är det fortfarande oklart hur materien skulle bete sig under dessa typer av förhållanden.
Inte förvånande, eftersom neutronstjärnor vanligtvis rymmer cirka 1,4 gånger massan av vår sol (eller 460 000 gånger massan på jorden) inom en volym av rymden som är storleken på en stad. Denna typ av situation, där en betydande mängd materia är packad i en mycket liten volym - vilket resulterar i att krossning av tyngdkraften och en otrolig materiedensitet - ses inte någon annanstans i universum.
Som Keith Gendreau, en forskare vid NASA: s Goddard Space Flight Center, förklarade i ett nyligen pressmeddelande från NASA:
”Materialets natur under dessa förhållanden är ett årtionden gammalt olöst problem. Teorin har avancerat en rad modeller för att beskriva fysiken för neutronstjärnornas inredning. Med NICER kan vi äntligen testa dessa teorier med exakta observationer. ”
NICE utvecklades av NASA: s Goddard Space Flight Center med hjälp av Massachusetts Institute of Technology (MIT), Naval Research Laboratory och universitet i USA och Kanada. Den består av en kylskåp som innehåller 56 röntgenteleskop och kiseldetektorer. Även om det ursprungligen var avsett att användas i slutet av 2016, blev ett lanseringsfönster inte tillgängligt förrän i år.
När den har installerats som en extern nyttolast ombord på ISS kommer den att samla in data om neutronstjärnor (huvudsakligen pulsars) under en 18-månadersperiod genom att observera neutronstjärnor i röntgenbandet. Även om dessa stjärnor avger strålning över spektrumet, tros röntgenobservationer vara de mest lovande när det gäller att avslöja saker om deras struktur och olika högenergifenomen som är förknippade med dem.
Dessa inkluderar stjärnbävningar, termonukleära explosioner och de mest kraftfulla magnetfält som är kända i universum. För att göra detta kommer NICER att samla in röntgenstrålar genererade från dessa stjärnas magnetfält och magnetpoler. Detta är nyckeln, eftersom det är vid polerna att styrkan hos en neutronstjärns magnetfält får partiklar att fångas och regna ner på ytan, vilket ger röntgenstrålar.
I pulsars är det dessa intensiva magnetfält som får energiska partiklar att bli fokuserade strålningsstrålar. Dessa strålar är det som ger pulsars sitt namn, eftersom de verkar som blixtar tack vare stjärnans rotation (vilket ger dem deras "fyr" -liknande utseende). Som fysiker har observerat är dessa pulsationer förutsägbara och kan därför användas på samma sätt som atomklockor och Global Positioning System är här på jorden.
Även om NICERs huvudmål är vetenskap, erbjuder det också möjligheten att testa nya former av teknik. Exempelvis kommer instrumentet att användas för att genomföra den första demonstrationen av autonoma röntgenpulsarbaserade navigering. Som en del av Station Explorer för röntgendiming och navigeringsteknologi (SEXTANT) kommer teamet att använda NICERs teleskop för att upptäcka röntgenstrålarna genererade av pulsars för att uppskatta ankomsttiderna för deras pulser.
Teamet kommer sedan att använda specifikt utformade algoritmer för att skapa en navigationslösning ombord. I framtiden kan interstellära rymdskepp teoretiskt lita på detta för att beräkna deras plats autonomt. Det här gör det möjligt för dem att hitta sin väg i rymden utan att behöva förlita sig på NASAs Deep Space Network (DSN), som anses vara det mest känsliga telekommunikationssystemet i världen.
Utöver navigering hoppas NICER-projektet också att genomföra det första testet av livskraft för röntgenbaserad kommunikation (XCOM). Genom att använda röntgenstrålar för att skicka och ta emot data (på samma sätt som vi för närvarande använder radiovågor), kan rymdskepp överföra data med hastigheten på gigabit per sekund över interplanetära avstånd. En sådan kapacitet kan revolutionera vårt sätt att kommunicera med besättningsuppdrag, rover och banor.
Central för båda demonstrationerna är den modulerade röntgenkällan (MXS), som NICER-teamet utvecklade för att kalibrera nyttolastens detektorer och testa navigationsalgoritmerna. Genom att generera röntgenstrålar med snabb varierande intensitet (genom att slå på och stänga av många gånger per sekund), kommer den här enheten att simulera en neutronstjärns pulsationer. Som Gendreau förklarade:
”Detta är ett mycket intressant experiment som vi gör på rymdstationen. Vi har haft mycket bra stöd från vetenskaps- och rymdtekniska personer vid NASA: s huvudkontor. De har hjälpt oss att utveckla teknologier som gör NICER möjliga såväl som de som NICER kommer att visa. Uppdraget är flammande spår på flera olika nivåer. ”
Man hoppas att MXS kommer att vara redo att skicka till stationen någon gång nästa år; vid vilken tidpunkt kunde navigations- och kommunikationsdemonstrationer börja. Och det förväntas att laget före 25 juli, som kommer att markera 50-årsjubileet för Bells upptäckt, kommer att samla in tillräckligt med data för att presentera fynd på vetenskapliga konferenser som planeras till senare i år.
Om det lyckas kan NICER revolutionera vår förståelse för hur neutronstjärnor (och hur materien beter sig i ett supertätt tillstånd) beter sig. Denna kunskap kan också hjälpa oss att förstå andra kosmologiska mysterier som svarta hål. Dessutom kan röntgenkommunikation och navigering revolutionera rymdutforskningen och resor som vi känner till. Förutom att ge större avkastning från robotuppdrag som ligger närmare hemmet, kan det också möjliggöra mer lukrativa uppdrag till platser i det yttre solsystemet och även bortom.
