\ Historien kort
- Der er meget, vi ikke ved om neutronstjernerne. Det forsøger NASA's NICER-mission at råde bod på.
- Missionen har blandt andet til formål at fastslå neutronstjerners radius og masse mere præcist.
- Her forklarer seniorforsker ved DTU Space, hvad forskerne ønsker at få bedre indsigt i gennem NICER-missionen.
Du har nok hørt om sorte huller; de mystiske objekter i universitet, som vi ikke er i stand til at observere. Men vidste du, at neutronstjerner har mange af de samme egenskaber?
Den mest afgørende forskel på dem er, at vi rent faktisk kan se neutronstjernerne.
Siden opdagelsen af den første neutronstjerne i 1967 har astrofysiskerne studeret dem ved hjælp af mange forskellige teknikker.
Neutronstjerner er kompakte rester af en supernova – det vil sige knuste og sammenpressede rester af stjerner, hvis oprindelige masse var 10 til 20 gange solens. Som begreb blev de første gang introduceret i den teoretiske astrofysik i 1934.
På trods af deres navn er neutronstjernerne ikke som de gasholdige ildkugler, vi ellers er vant til at se på nattehimlen.
Mest komprimerede materiale i universet
Neutrontjerner er de mest kompakte objekter og skabt af det hårdeste og mest komprimerede materiale kendt i universet. Med en diameter på kun cirka 20 kilometer (omtrent på størrelse med København) vejer de omkring det dobbelte af Solen.
En neutronstjernes massefylde er tæt på atomkerners massefylde, hvilket svarer til en milliard tons per kubikcentimeter – eller vægten af alle mennesker, der nogensinde har levet på Jorden, presset sammen på en teske!
Neutronstjerner har et meget kraftigt magnetfelt, der er 1.012 gange stærkere end Jordens, hvilket sammen med en meget hurtig rotation (op til 600 gange i sekundet) er en vigtig årsag til, at neutronstjerner kan observeres som pulsarer; astrofysiske objekter, der udsender pulserende elektromagnetisk stråling.
Mange spørgsmål mangler svar
Så langt så godt, men når det gælder de mystiske neutronstjerner, er der stadig mange spørgsmål, vi endnu ikke kender svaret på.
\ Gyroskop
Et gyroskop er et mekanisk apparatur, der ved hjælp af impulsmomentbevarelse kan bruges til at måle eller bevare orientering.
Et gyroskop udnytter, at omdrejningsaksen for et hurtigt roterende legeme med stort inertimoment er meget stabil.
Det er netop alle disse gåder, som 'Neutron star Interior Composition ExploreR' (NICER) vil forsøge at afsløre, og forskere fra DTU Space og dansk navigationsteknologi hjælper NASA's NICER-mission på vej.
DTU Space har udviklet et banebrydende instrument i form af et kombineret gyroskop og stjernekamera, der skal observere neutronstjernerne, og den teknologiske nyskabelse er allerede driftsklar ombord Den Internationale Rumstation, ISS.
NICER er i princippet et røntgenteleskop, som monteres oven på ISS. Selve teleskopet består af 56 'rør', som er fokuseringslinser, der koncentrerer de indkommende røntgenstråler i form af fotoner fra neutronstjernerne på en detektor af silicium.
To måder at observere neutronstjernerne
Neutronstjernerne kan observeres i forskellige inkarnationer. Den mest almindelige er som en pulsar, hvilket også var den første neutronstjerne, der blev opdaget for 50 år siden af Jocelyn Bell Burnell og Anthony Hewish ved hjælp af radioteleskoper.
En pulsar er en neutronstjerne, der udsender pulserende elektromagnetisk stråling fra bestemte steder på sin overflade, og som er omgivet af et stærkt magnetfelt.
Elektroner og andre ladede partikler accelereres i magnetfeltet og afgiver derved elektromagnetisk stråling, som hovedsagelig udsendes ved magnetfeltets poler.
Når stjernen roterer, kan disse kegleformede stråler ramme Jorden som lyskegler – lidt som lyset fra et fyrtårn – så der observeres en pulserende stråling. Det har givet denne type stjerner tilnavnet pulsarer.
Afgiver røntgenstråling
Andre neutronstjerner kan imidlertid observeres med røntgenteleskoper. Det kræver dog, at der er en ledsagende stjerne – et såkaldt binært system – det vil sige neutronstjerner, der kredser rundt om en anden stjerne.
Hvis de to stjerner er tilpas tæt på hinanden, kan neutronstjernen så at sige æde gassen fra den anden stjerne, hvorved der udsendes en kraftig røntgenstråling. Det meste af den høj-energetiske overfladestråling opstår, når et kompakt objekt trækker stof til sig fra den ledsagende stjerne.
Når stoffet nærmer sig det kompakte objekt, dannes der i nogle tilfælde en roterende skive af stof omkring objektet – en såkaldt opsamlingsskive.
Stoffet i skiven varmes op til flere millioner grader som følge af energien i det superkraftige tyngdefelt fra det kompakte objekt. Derfor gløder skiven med høj-energetisk stråling, der kan observeres med røntgenteleskoper. Forestil dig disse uhyre kompakte objekter på størrelse med København, der roterer hurtigere end en vaskemaskinetromle!
Vi kan faktisk ikke se en roterende neutronstjerne, med mindre vi har det korrekte instrument til rådighed; eksempelvis et højhastighedskamera med en resolution, der er stor nok til at foretage meget præcise målinger på meget kort tid.
Det svarer til at tage billeder af en bis vinger, mens bien flyver.
NASA og DTU Space samarbejder
Det er netop denne teknologi, som NASA's nye NICER-røntgenteleskop leverer, og det betyder, at strålingen fra neutronstjernene i form af fotoner kan indfanges med stor præcision.
NICER blev sendt af sted lørdag 3. juni 2017 fra Cape Canaveral i Florida med en Falcon-raket fra den private virksomhed SpaceX. Få dage senere blev NICER-røntgenteleskopet installeret og implementeret på ISS, der kredser omkring 400 km over jorden.
NICER består af 56 røntgenteleskoper og meget nøjagtige instrumenter til tidsmæssig måling af røntgenstrålingen.
DTU Space udviklede, byggede og leverede den avancerede teknologi, der gør forskerne i stand til at positionere NICER-teleskopet med hidtil uset præcision, og navigationsudstyret bruges til at sikre, at teleskopet hele tiden peger i den rigtige retning.
Det revolutionerende system kompenserer for rumstationens orbitalbevægelser og vibrationer (hvis astronauterne for eksempel bevæger sig for voldsomt), der ellers ville være i stand til at forstyrre dataindsamlingen og den tidsmæssige måling af pulsarerne.
Udover det teknologiske samarbejde deltager DTU Space også i det overordnede forskningsprogram samt den videnskabelige analyse af NICER's data.
Større indsigt i neutronstjernens indre
Med den nye teknologi vil forskerne være bedre i stand til at fastslå neutronstjerners masse og radius.
\ NICER-missionen
- NICER står for Neutron star Interior Composition Explorer og er en NASA-mission, hvor DTU Space er en international nøglepartner.
- Missionen blev sendt afsted lørdag 3. juni 2017 til rumstationen ISS fra Cape Canaveral i Florida med en Falcon-raket fra den private virksomhed SpaceX på opdrag fra NASA.
- Løfteraketten er et af de nye genbrugelige rumfartøjer, og er landet igen efter opsendelsen. Dermed er det første gang, sådan en operation er gennemført kommercielt af SpaceX for denne type missioner.
- Forskerne vil blandt andet forsøge at fastslå neutronstjerners radius og masse mere præcist for på den måde at få mere detaljeret indsigt i de processer, der finder sted i og omkring stjernen, når en masse udsættes for så ekstrem sammenpresning.
(Kilde: DTU Space)
Selvom visse neutronstjernes masse er fastslået med temmelig stor sikkerhed takket være observationer af dobbelte neutronstjernesystemer og Einsteins generelle relativitetsteori, ved vi ikke meget om deres dimensioner. Er neutronstjernerne lige så stor som New York, eller er de mere som Oslo?
Ét af NICER-missionens hovedformål er at få en større indsigt i, hvad der sker i neutronstjernerne, når en masse udsættes for så ekstrem sammenpresning, for det kan man ikke reproducere i et laboratorie.
Vi ved endnu ikke med sikkerhed, hvad de kompakte neutronstjerner består af.
Måske viser det sig, at neutronstjernerne ikke (udelukkende) består af neutroner, men måske (også) endnu mere elementariske partikler som pioner eller kvarker.
\ Læs mere
Forskellen mellem et sort hul og en neutronstjerne
Som før nævnt er det i astrofysikken svært at skelne mellem en neutronstjerne og et sort hul, fordi de omkringliggende miljøer er ret identiske.
Neutronstjerner er det mest kompakte stof, vi er i stand til at observere, før det bliver til sorte huller, og derfor kan det være svært at kende forskel på dem. Men én afgørende forskel på et sort hul og en neutronstjerne er, at vi kan observere neutronstjernerne som følge af overfladestrålingen.
Så selvom det er så godt som umuligt at vide noget om sorte huller ud over deres masse, ved vi, at de har en effekt på deres omgivelser på en tilsvarende måde som neutronstjernerne.
Den bedste måde at identificere en neutronstjerne er ved at observere forskellige fænomener, der finder sted i og omkring stjernen for at udelukke, at der er tale om et sort hul.
For eksempel skaber neutronstjerners vældige masse et enormt gravitationsfelt, der kan resultere i, at rumtiden i universet krummes – lige som et sort hul – men på en meget mindre skala.
Strålerne, der følger krumningen, gør det muligt at se den modsatte side af neutronstjernen, men omkring den stærkt koncentrerede masse i et sort hul er rummet krummet så meget, at lyset falder tilbage i hullet.
\ Læs mere
Skal granske dynamiske fænomener
Bursts er kraftige termonukleare eksplosioner (kerne-eksplosioner baseret på fusion), der finder sted på neutronstjernens overflade. Eksplosionen får neutronstjernen til at gløde kraftigt i røntgenstråling. Til dato kender man færre end 100 neutronstjerner, der mindst en gang har udgivet et termonukleart burst.
\ ForskerZonen
Denne artikel er en del af ForskerZonen, som er stedet, hvor forskerne selv kommer direkte til orde. Her skriver de om deres forskning og forskningsfelt, bringer relevant viden ind i den offentlige debat og formidler til et bredt publikum.
ForskerZonen er støttet af Lundbeckfonden.
Afhængigt af den faktiske mængde akkumuleret stjernemateriale, kan et termonukleart burst vare fra få sekunder til flere timer.
Takket være NICER-teleskopet kan vi for første gang identificere nogle af de tunge grundstoffer, der bliver produceret i forbindelse med disse gigantiske eksplosioner.
Det vil give os mulighed for at få bedre indsigt i de termonukleare reaktioner, der også finder sted i stjernens kerne, men som vi ikke kan observere direkte.
Hvis nogle af de elementer, der syntetiseres i løbet af et burst, bliver fordelt til andre steder i universet, er det i princippet muligt, at nogle af atomerne i vores kroppe blev smedet på neutronstjerner.
Jérôme Chenevez er astrofysiker og seniorfosker ved DTU Space. Han beskæftiger sig med rumbaserede observationer udført især med røntgenteleskoper (INTEGRAL/JEM-X og NuSTAR), som DTU Space har været med til at bygge og/eller designe. Jérôme Chenevez bidrager til udviklingen af videnskabelig analysesoftware samt med forberedelsen af astrofysiske observationer med fremtidige instrumenter (for eksempel NASA's NICER). Denne artikel er oversat af Stephanie Lammers-Clark.
