Od čega se sastoji unutrašnjost neutronske zvezde? 'Pa, to je apsurdno pitanje' – mogli bismo da pomislimo – 'od čega bi se sastojala ako ne od neutrona?' Nije, međutim, tako jednostavno. Odgovor na ovo pitanje otvara vrata novom carstvu fizike čestica i boljem razumevanju evolucije zvezda pa, prema tome, čitavog kosmosa. Sada ćemo, zahvaljujući novom Nasinom rentgenskom teleskopu koji je lansiran pre koju godinu teretnim brodom 'Dragon CRS-11', biti bliže rešavanju ove zagonetke. Naziv instrumenta: NICER (Neutron star Interior Composition Explorer).
NICER van ISS-a.
Treba imati na umu da neutronske zvezde nastaju kada masivne zvezde 'umru' u eksploziji supernove. Jezgro zvezde, mase veće od 1,44 Sunčeve mase (2,765×1030 kg, Čandrasekarova granica), nije u stanju da podnese vlastitu težinu pod pritiskom degemerisane materije – koja se javlja u belim patuljcima – već kolabira dok ne pronađe novu ravnotežu. Pritisak je toliko brutalan da se elektroni iz atoma sjedinjuju sa jezgarom, a središte zvezde postaje jedno ogromno atomsko jezgro prečnika jedva dvadesetak kilometara. Celokupna masa zvezde u objektu manjem od mnogih asteroida! A budući da se atomi uglavnom sastoje od praznog prostora, vakuuma[1] (prostor između jezgra i elektronske ljuske), uklanjanje ovog 'nepotrebnog prostora' rezultira neverovatnim gustinama u onome što sada nazivamo neutronskim zvezdama.
Dakle, u principu nema tajne. Neutronska zvezda se sastoji od ... neutrona. I to je to. Nažalost, ili na sreću, uzavisnosti kako na to gledaš, priroda je uvijek puno složenija nego što očekujemo. Istina je da kada dođe do kolapsa, slaba sila uzrokuje da veliki deo elektrona stupi u interakciju s protonima u jezgrama dajući neutrone (i neutrine, od kojih deo pobegne tokom eksplozije supernove, ali to je druga priča[2]). Tačnije, krajnji rezultat je da ćemo u jezgrama imati samo 10% protona.
Mogući presek neutronske i egzotične kvarkne zvezde.
Međutim, mora se imati na umu da neutroni nisu elementarne čestice i da se sastoje od kvarkova. U brutalnoj gustini unutrašnjosti neutronskih zvezda, nuklearna materija prestaje da se ponašati prema očekivanjima. Nadalje, ta gustina dramatično varira, od oko 1011 grama po kubnom santimetru[3] u blizini površine do više od 1015 gr/cm3 u središtu (što je nekoliko puta više od gustine atomskog jezgra). Kao rezultat, neutronska zvezda ima bogatu unutrašnju strukturu koja zavisi od preciznog ponašanja nuklearne materije (ono što se u termodinamici naziva jednačinom stanja), nešto što mi ne poznajemo. A, zauzvrat, ova će struktura presudno da utiče na veličinu zvezde. Naprimer, čini se da nuklearna materija stvara egzotične strukture generički nazvane 'nuklearna pasta' zbog neobične sličnosti sa špagetima ili lazanjama. Isto tako, budući da ne znamo koja je precizna jednačina stanja kompaktne nuklearne materije, takođe ne znamo gornju granicu mase neutronske zvezde – takozvanu Tolman-Oppenheimer-Volkoffova granica – za koju se trenutno veruje da iznosi između 2,2 i 2,9 solarnih masa, a iznad koje se stvara crna rupa.
Pojednostavljujući temu, kažemo da trenutno postoje četiri mogućnosti da se objasni što se događa s neutronskom materijom unutar neutronske zvezde. Prva je da neutroni nestaju stvarajući 'kvarkovsku supu'. Ako je to slučaj, neutronska zvezda bi zapravo bila 'kvarkovska zvezda', manja i kompaktnija od svojih sestara ('egzotičnih zvezda', sa 'čudnim' kvarkovima, kao i kvarkovima 'gore' i kvarkovima 'dole'), koje su podvrstaneutronskih zvezda). Druga mogućnost je da se neutroni i druge fermionske čestice (one koje čine materiju) udružuju kako bi stvorili bozone, odnosno Bose-Einsteinov kondenzat. Ovaj kondenzat sa super-fluidnim svojstvima ublažava ogroman pritisak unutar ovih zvezda. Na kraju, moguće je da kvarkovi tvore nove čestice zvane hiperoni, vrstu bariona koji nemaju kvarkove 'gore' i 'dole', već jedan ili više 'čudnih' kvarkova. I naravno, uvek može da se pojavi neki drugi nepoznati fenomen koji nismo uzeli u obzir ili kombinacija svih gorepomenutih.
56 detektora sa rendgenskom optikom teleskopa NICER
Delovi NICER-a.
Teret NICER u transportnoj, otvorenoj i potpuno otvorenoj konfiguraciji.
Kako ćemo znati koji je scenario ispravan? U nedostatku jedinstvene jednačine stanja neutronske ili kvarkovske materije, preostaje nam samo eksperimentiranje. A priori bismo mogli da pomislimo da bi nam odgovor mogli dati akceleratori čestica poput CERN-ovog LKC-a, ali to nije tako lako. U LHC-u je temperatura čestica mnogo viša nego u neutronskim zvezdama, gdje, premda je unutrašnjost daleko od hladnoće, ta veličina nije temeljni faktor u poteđenju sa drugim silama. S druge strane, očekuje se da će nam LIGO[4]eksperimenti dalje u budućnosti pružiti podatke iz prve ruke o fuziji neutronskih zvezda, ali do sada nije otkriveno ništa slično.
Vrlo atraktivna opcija je merenje veličine neutronskih zvezda. Na taj način ćemo moći da odredimo njihovu gustinu i imaćemo na raspolaganju jasne dokaze koji je mehanizam – ili mehanizmi – prisutan u tim zvezdama. No, merenje veličine neutronske zvezde je sve samo ne jednostavno. Njihov vrlo mali srednji prečnik nam baš ne pomaže, ali takođe su obično okruženi 'atmosferom' nabijenih čestica zarobljenih njihovom moćnom magnetosferom koje nam sprječavaju da jasno vidimo površinu.
Rešenje se krije u promatranju neutronskih zvezda sa relativno slabim magnetskim poljima[5], ali koja su ipak dovoljno jaka da imaju žarišta ('hot spots') na magnetskim polovima. Te zone su ključne za određivanje veličine neutronskih zvezda. Kako? Pa, koristeći vrlo genijalan metod. Vruća žarišta magnetskih polova obilno emituju X-zrake i druge talasne dužine (u slučaju vrlo intenzivne emisije, neutronska zvezda postaje pulsar[6]). Ako budemo mogli tačno da odrediti oblik ovog periodičnog signala, moći ćemo da izračunamo njegovu veličinu. Doista, što je kontrast u signalu veći, to je zvezda veća. Ali kako je to moguće?
Od početka je logično misliti da u svakom trenutku možemo da vidimo samo polovinu površine zvezde. Ako bi to bio slučaj, ne bismo mogli da koristimo ovu metodu da bi saznali veličinu zvezde. Ali tu tu dolazi u pomoć opšta relativnost. Neutronske zvezde su objekti toliko kompaktni da snažno iskrivljuju prostor oko sebe. Što je neutronska zvezda manja, to će više iskriviti prostora i vremena, a kao rezultat toga, više ćemo površine zvezde moći da vidimo sa Zemlje. Zbog toga, vrlo mala neutronska zvezda pokazuje malo kontrasta u svom X-zračnom signalu, jer zbog ovog izobličenja uvek možemo da promatramo vruća područja njene površine.
Periodičnost signala fluksa rendgenskih zraka s neutronske zvezde. Što je zvezda manja, to možemo da vidimo više površine zbog iskrivljenja prostor-vremena i većeg kontrasta u signalu koji ćemo imati (NASA).
Distorzija prostor-vremena male neutronske zvezde može da nam omogući da istovremeno vidimo oba njena pola (Wikipedia).
Ali ova metoda ima dva nedostatka. Prvi je što moramo nebo da promatramo rendgenskim zrakama, pa je neophodno da koristimo satelite smeštene u kosmosu. Drugi je da je potrebna ogromna vremenska preciznost da bi se dobila svetlosna krivulja dovoljno detaljna da se može odrediti veličina zvezde. Sada ćemo, zahvaljujući instrumentu NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) Nasinog Goddardovog kosmičkog centra, moći da testiramo ovu hipotezu. NICER se sastoji od 56 rendgenskih senzora ukupne površine 1400 kvadratnih santimetara koji rade u opsegu X-zraka s energijama od 0,2 do 12 kiloelektronvolti. No, njegova jača strana je izuzetno visoka vremenska preciznost njegovog glavnog instrumenta, XTI (X-ray Timing Instrument), koja doseže manje od 300 nanosekundi (seti se da se neutronske zvezde vrte vrlo brzo).
Šta NICER radi?
Poređenje efektivnog područja NICER-a i evropskog rendgenskog teleskopa 'XMM-Newton'.
NICER pre lansiranja. Ima težinu od 372 kg.
Pre lansiranja u junu 2017, istraživači su se nadali da će NICER uspeti da izmeri prečnike najmanje osam neutronskih zvezda s tačnošću između 5% i 10%. S tim podacima bi bili bliži saznanju koji su modeli unutrašnjosti neutronskih zvezda tačni a koji ne. Za sada, do danas napravljene procene veličine sugerišu da je u igri jedan ili više gorepomenutih fenomena, jer se čini da su ove kompaktne zvezde manje nego što bi se očekivalo da su sastavljene samo od neutrona (prosečno 20 kilometara umesto 25 kilometara). Pa kakva je unutrašnjost ovih zvezda? Sa NICER-om i naslednicima ćemo biti bliže tom saznanju.
Unutrašnja struktura umiruće zvezde, tzv. neutronske zvezde, koje mi nekada vidimo kao pulsare.
NICER montiran na nosač ELC-2 na ISS. Na stanici postoje 4 ovakva nosača (palete). Pogledaj ovo
NICER je lansiran ka ISS 3. juna 2017. 'SpaceX-ovom' raketom 'Falcon 9 v1,2'. Instrument je prikačen za stanicu spolja, preko noseće platforme ELC (ExPRESS Logistic Carriera). NICER je bio instaliran uz pomoć robotske ruke, a tokom tog procesa je morao da bude oko 6 sati bez struje i izdrži pad temperature.
Tokom svake orbite stanice, plan je bio da NICER posmatra dve do četiri mete. Način vešanja ('gimbaling') i zvezdani traketi omogućavali su NICER-u da prati specifične mete tokom prikupljanja naučnih podataka. U tu svrhu, NICER je morao da napravi preko 15 miliona sekundi ekspozicija tokom 18-mesečnog perioda.
NASA je objavila ovu sliku neba koja prikazuje podatke 22-mesečnog snimanja sa ISS u rendgenskom spektru koristeći NICER. Ističe se tzv. Cygnus Loop, ostatak supernove prečnika oko 90 sv. godina i starosti 5000-8000 godina.
U maju 2018. NICER je otkrio rendgenski pulsar sa najbržom zvezdanom orbitom. Pulsar i njemu pridružena zvezda okreću se jedna oko druge za samo 38 minuta.
21. avgusta 2019. NICER je uočio najjaču rendgensku eksploziju do sada zabeleženu. Ona je potekla sa neutronske zvezde SAX J1808.4−3658udaljene 11.000 svetlosnih godina od Zemlje u sazvežđu Sagittarius.
23. jula 2020. NICER je otkio crnu rupu u sistemu MAXI J1727-203. Zabeležena je emisija rendgenskog zračenja, a jedna komponenta je zvezda male mase a drug je ili crna rupa ili neutronska zvezda.
NASA je napravila plan da proširi NICER misiju, smislili su tehnologiju SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) kojom ispituju mogućnost pozicioniranja i navigacije pomoću rendgenskih pulsara (XNAV), a koja bi se koristila za deep-space navigaciju.
Slika prikazuje MXS (Modulated X-ray Source), ključna komponenta prvog Nasinog demonstratora za rendgensku komunikaciju u kosmosu.
Teleskop NICER postavljen na ITS na Međunarodnoj stanici.
[1] Atom se sastoji od 99,9999999% praznog prostora. Ako bi atomsko jezgro bilo veličine jajeta, čitav atom bi imao prečnik od recimo 3 km, i od te lopte 99,9999999% je – ništa, vakuum.
Veličina samog jezgra i elektronskog 'oblaka' zavisi od atoma. Jezgro vodonika (samo 1 proton) iznosi oko 1,75 femtometra (1 fm = 10-15 m), dok nekih težih atoma ide i do 15 fm.
[2] Recimo ova: 'Neutrini - duhovi univerzuma'.
[3] Sem ovih s 'Pinka', svaka šuša zna da je voda teška 1 gr/cm3 – nadam se da si među šušama
[4] Dve gravitacione laserske opservatorije u Luiziani. Opservatorije koriste ogledala udaljena oko 4 km koja su sposobna da detektuju promene manje od 10-hiljaditonprečnika protona. Za rad na detektorima, 2017. su dodeljene i tri Nobelove nagrade. Od 2019. napravljeno je 50 otkrića gravitacionih talasa nastalih sudarima neutronskih zvezda i crnih rupa i eksplozija supernovi...
[5] Magnetna polja neutronskih zvezda je između 108 i 1015 piuta jače od magnetnog polja Zemlje. Gravitaciono polje na površini tipične neutronske zvezde je oko 2×1011 (200 milijardi) jače od Zemljinog.
[6] Kako jezgro zvezde kolapsira, brzina rotacije se povećava kao rezultat očuvanja ugaonog momenta, a novonastala neutronska zvezde se stoga okreće i do nekoliko stotina puta u sekundi. Neke neutronske zvezde emituju mlazeve elektromagnetnog zračenja, zbog čega ih je moguće otkriti kao pulsare.
Doista, otkriće pulsara od strane J. Bell Burnell i A. Hewisha 1967. bila je prva sugestija da postoje neutronske zvezde. Smatra se da se zračenje pulsara prvenstveno emituje iz područja u blizini njihovih magnetskih polova. Najbrže okrećuća neutronska zvezda PSR J1748-2446ad, koja se vrti 716 puta u sekundi, ili 43.000 okretaja u minuti, dajući linearnu brzinu na površini reda 0,24 c (tj. gotovo četvrtina brzine svetlosti).
10 činjenica o neutronskim zvezdama
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
