NICER – badania wnętrza gwiazd neutronowych

0

NASA proponuje nowy projekt w ramach projektu Missions of Opportunity (jest on podrzędny wobec szerszego programu Explorer Missions). Naukowcy chcieliby umieścić na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) specjalny teleskop, umożliwiający dokładne obserwacje gwiazd neutronowych. Misja nazywałaby się Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) – i jak sama nazwa wskazuje, skupiłaby się na próbie określenia jak wygląda tajemnicze wnętrze supergęstych pulsarów.

Gwiazdy neutronowe to pozostałości po gwiazdach o stosunkowo dużych masach, które swój cykl ewolucji kończą jako supernowe typu II albo Ib, albo w wyniku kolapsu białego karła w układach podwójnych.

Obiekty te cechuje olbrzymia gęstość, a dzieje się tak ze względu na ich budowę wewnętrzną. Ich masy oscylują w granicach 2-3 mas Słońca, choć teoretycznie mogą być nawet 8 razy masywniejsze niż nasza gwiazda. Przekroczenie tej granicy powoduje zapadnięcie się gwiazdy neutronowej i powstanie czarnej dziury.

Gwiazda neutronowa składa się najprawdopodobniej z kilku warstw. Pierwszą stanowi ocean elektronów przepływający między jądrami żelaza. Niżej znajduje się materia, którą stanowią swobodne elektrony, (do których stosuje się prawa mechaniki kwantowej), wymieszane z nukleonami bogatymi w neutrony – takie jądra atomowe nie występują na Ziemi. W najgłębszych warstwach nie ma nawet elektronów, jądra atomowe tworzą nadciekłą materię, w której zależności opisywane są przez oddziaływania silne.

Do tego dochodzi jeszcze wmrożone w strukturę zdegenerowanej gwiazdy pole magnetyczne i niezwykle szybka rotacja, czasem jeszcze bardziej przyspieszana przez opadającą materię w układach podwójnych. Na biegunach gwiazdy powstają dwa snopy promieni elektromagnetycznych. Jeśli Ziemia znajduje się na ich drodze, to omiatają ją z określoną przez prędkość kątową gwiazdy częstotliwością (jak latarnie morskie). Stąd inną nazwą gwiazd neutronowych są pulsary.

Tak gęstej materii jaka znajduje się w jądrach gwiazd neutronowych nie da się otrzymać w ziemskich laboratoriach. Jest ona znacznie bardziej zwarta niż pojedynczy atom. (Dlatego empiryczne badania tych obiektów są tak ważne z punktu widzenia fizyki). Aktualnie powstało kilka propozycji co do budowy wewnętrznej gwiazd neutronowych, nie znając jednak ich dokładnych mas oraz średnic nie ma możliwości weryfikacji modeli.

Misja NICER ma to zmienić. Jeśli NASA zatwierdzi projekt, w lecie 2016 roku na pokładzie ISS znajdzie się teleskop umożliwiający obserwację gwiazd neutronowych.

Jeszcze kilka lat temu żadna technika nie pozwoliłaby na pomiary mające na celu wyznaczenie dokładnej średnicy gwiazd neutronowych. Teoretycznie jest ona mała – średnio wynosi 10 kilometrów. Dokładne pomiary, wraz z wyznaczeniem masy, dadzą w sumie przybliżone pojęcie o wnętrzu zdegenerowanej gwiazdy. Pozwoli to na odrzucenie lub zatwierdzenie już istniejących modeli.

W jaki sposób NICER zmierzy wielkość gwiazdy? Wykorzystane zostaną następujące właściwości gwiazd neutronowych: zmiana natężenia promieniowania związana z rotacją gwiazdy oraz zakrzywienie czasoprzestrzeni. Kolumna promieniowania, (w przypadku badań NICER promieniowania rentgenowskiego pulsarów rentgenowskich), w trakcie zmian swojego położenia względem obserwatora nie zanika zupełnie lecz traci na natężeniu. Precyzyjne pomiary takich zmian w trakcie rotacji pulsara pozwolą wyznaczyć średnicę obiektu. Zakrzywienie czasoprzestrzeni umożliwi dostrzeżenie drugiej kolumny promieniowania, co wpłynie także na krzywą jasności. Gdy gwiazda okaże się bardzo zwarta, wykrzywi czasoprzestrzeń znacznie bardziej i więcej promieniowania z przeciwległego “gorącego punktu” wygładzi krzywą natężenia.

Masa gwiazd neutronowych wyznaczona zostanie na podstawie ich orbity w układach podwójnych, gdzie obserwowane będą wszelkie zmiany w ruchu ciał względem siebie.

Badania gwiazd neutronowych nie są związane tylko i wyłącznie z astronomią albo teorią grawitacji. Porównując je do czarnych dziur, są znacznie bardziej „skomplikowanymi” obiektami (także dlatego, że istnieje możliwość opisania ich wnętrza). Zrozumienie procesów zachodzących wewnątrz gwiazd neutronowych wymaga znajomości praktycznie wszystkich działów fizyki: grawitacji, mechaniki kwantowej, fizyki ciała stałego, hydrodynamiki i elektromagnetyzmu oraz fizyki jądrowej.

Pozostaje pytanie czy misja zostanie wybrana spośród innych kandydatów oraz czy zmiany w budżecie NASA nie wpłyną negatywnie na projekt Missions of Opportunity, mający zaspokoić potrzeby przede wszystkim fizyków-teoretyków.

Źródło: NASA

Share.

Comments are closed.