50 lat po odkryciu pulsarów NASA kontynuuje badanie tych latarni kosmicznych

Niewielkie zaburzenie w danych naukowych 50 lat temu doprowadziło do odkrycia pulsarów – szybko rotujących gęstych pozostałości po gwiazdach, które z Ziemi wyglądają jak pulsujące latarnie morskie.

Astronomka Jocelyn Bell dokonała odkrycia za pomocą potężnego radioteleskopu w Cambridge. Choć instrument został zbudowany do pomiarów losowych wahań jasności innej kategorii obiektów kosmicznych, tzw. kwazarów, to w danych obserwacyjnych z niego Bell odkryła nieoczekiwane wahania powtarzające się regularnie co 1,3373 sekundy. Wykres przedstawiający jasność w zakresie radiowym doprowadził do odkrycia nietypowego zjawiska.

“Pulsy były na tyle regularne, niczym w zegarku, że Bell wraz ze swoim przełożonym Anthonym Hewishem nie mogli uwierzyć, że to może być zjawisko naturalne”, mówi ZZaven Arzoumanian z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt. “Jednak gdy znaleźli drugi taki obiekt, a potem trzeci i czwarty, zmienili zdanie”.

Istnienie tych nietypowych obiektów kosmicznych już wcześniej zostało przewidziane przez naukowców. Aktualnie astronomowie znają ponad 2000 pulsarów. Te rotujące “latarnie morskie”, gwiazdy neutronowe rozpoczynają swoje życie jako gwiazdy o masie od 7 do 20 mas Słońca. Niektóre z nich rotują setki razy na sekundę, szybciej niż ostrza domowego blendera, i wytwarzają niewyobrażalnie silne pole magnetyczne.

Większość znanych gwiazd neutronowych to pulsary emitujące wąskie strumienie promieniowania. Ich masa rzędu dwóch mas Słońca ściśnięta jest do kuli o średnicy ok. 20 km. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center

Rozwój technologii w ostatnich pięćdziesięciu latach umożliwił naukowcom badanie tych kompaktowych obiektów gwiezdnych z przestrzeni kosmicznej w różnych zakresach promieniowania, szczególnie w tych bardziej energetycznych niż fale radiowe odbierane przez teleskop w Cambridge. Aktualnie kilka misji realizowanych przez NASA skupia się na badaniu tych naturalnych latarni morskich.

NICER czyli Neutron star Interior Composition Explorer to pierwsza misja NASA zaprojektowana specjalnie do badania pulsarów. W ramach okrągłej rocznicy odkrycia pierwszego pulsara także NICER skierował swoje oko na pierwszy pulsar znany dzisiaj pod nazwą PSR B1919+21.

NICER został wyniesiony na pokład Międzynarodowej Stacji Kosmicznej na początku czerwca tego roku i rozpoczął obserwacje naukowe w ubiegłym miesiącu.  Prowadzone za jego pomocą obserwacje w zakresie rentgenowskim – tej części widma elektromagnetycznego, w którym promieniowanie emituje zarówno rozgrzana do miliona stopni powierzchnia pulsara jak i jej silne pole magnetyczne – pozwolą nam sprawdzić jak podstawowe siły natury zachowują się we wnętrzach tych obiektów czyli w środowisku, które nie istnieje i nie może być odtworzone nigdzie indziej. “Co jest wewnątrz pulsarów?” to jedna z wielu odwiecznych zagadek astrofizyki.

Materia tworząca pulsary to zbiór cząstek znanych naukowcom dzięki ponad stuleciu badań laboratoryjnych na Ziemi – neutronów, protonów, elektronów i prawdopodobnie nawet ich własnych składników, tzw. kwarków. Jednak w tak ekstremalnych warunkach ciśnienia i gęstości ich zachowanie i interakcje wciąż są słabo poznane. Nowe, precyzyjne pomiary, szczególnie rozmiarów i mas pulsarów, są niezbędne do uściślenia teorii.

NICER aktualnie zainstalowany jest na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Na powyższej animacji przedstawiono umiejscowienie kamery, elektroniki, mechanizmu łączącego ze stacją, 56 osłon słonecznych, aktuatorów kierunku i aktuatorów składania i rozkładania urządzenia. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center

“Opracowano już wiele modeli z zakresu fizyki jądrowej, których zadaniem jest rozszyfrowanie składu gwiazd neutronowych w oparciu o dostępne dane i ograniczenia, których one dostarczają”, mówi Keith Gendreau z Goddard, główny badacz misji NICER. “Czułość instrumentu, rozdzielczość w zakresie energii rentgenowskiej i rozdzielczość czasowa pozwolą nam na bardziej precyzyjne pomiary ich promieni”.

“Możemu zmierzyć pulsy emitowane przez pulsary w wielu kierunkach wokół statku w celu określenia położenia statku”, mówi Arzoumanian. “Tak samo z resztą działa system GPS na Ziemi, wokół której krążą po swoich orbitach precyzyjne zegary”.

Naukowcy przetestowali te metody za pomocą symulacji komputerowych i laboratoryjnych. SEXTANT pozwoli na zademonstrowanie możliwości nawigacji opartej na pulsarach tym razem już z przestrzeni kosmicznej.

Źródło: NASA Goddard Space Flight Center