นาซ่าจะไขปริศนาฟิสิกส์ครั้งใหญ่ในฤดูร้อนนี้

โฟตอนพลังงานสูงใช้เวลา 512 ปีในการเดินทางจากดาวนิวตรอนที่ใกล้ที่สุดมายังโลก มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่เดินทาง แต่พวกมันมีข้อมูลที่จำเป็นในการแก้ปัญหาที่ยากที่สุดข้อหนึ่งในวิชาฟิสิกส์ดาราศาสตร์

โฟตอนยิงเข้าสู่อวกาศด้วยความกระฉับกระเฉง ลำแสงพลังงาน X-ray ที่ปะทุออกมาจากพื้นผิวของอนุภาคขนาดเล็กอุลตร้าเซนส์ขนาดเล็กที่หมุนรอบตัวของซูเปอร์โนวา คานแยกย้ายกันไปนานหลายศตวรรษในการขนส่ง แต่ทุกครั้งในช่วงเวลาหนึ่งแสง X-ray ที่เดินทาง 157 parsecs (512 light-years) ข้ามอวกาศ - 32 ล้านครั้งระยะห่างระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ - แผ่ขยายออกไปเทียบกับสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) X กล้องโทรทรรศน์เรย์ชื่อเล่น NICER จากนั้นลงมาบนโลกไฟล์ข้อความจะเข้าสู่จุดข้อมูลใหม่: พลังงานของโฟตอนและเวลาที่มาถึงวัดด้วยความแม่นยำระดับไมโครวินาที

จุดข้อมูลนั้นพร้อมกับคนอื่น ๆ นับไม่ถ้วนที่มันรวบรวมมาในช่วงหลายเดือนจะตอบคำถามพื้นฐานทันทีในฤดูร้อนปี 2561: J0437-4715 มีความกว้างเท่าไหร่เพื่อนบ้านของดาวนิวตรอนที่อยู่ใกล้ที่สุดในโลก

หากนักวิจัยสามารถหาความกว้างของดาวนิวตรอนนักฟิสิกส์ Sharon Morsink บอกกับนักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งในการประชุม APS ของ American Physical Society (APS) เมื่อเดือนเมษายน 2018 ข้อมูลดังกล่าวสามารถชี้ทางไปสู่การไขปริศนาอันยิ่งใหญ่ของฟิสิกส์อนุภาคได้อย่างไร ไม่ทำงานเมื่อผลักไปสุดขั้วที่รุนแรง?

บนโลกด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ของมนุษยชาติมีข้อ จำกัด บางอย่างเกี่ยวกับวิธีการที่สสารหนาแน่นสามารถรับได้แม้ในห้องปฏิบัติการที่รุนแรง นั่นหมายความว่านักฟิสิกส์ไม่สามารถเข้าใจได้ว่าอนุภาคมีความหนาแน่นมากเพียงใด มีการทดลองที่ดีไม่มากนัก

“ มีวิธีการต่าง ๆ มากมายที่ผู้คนพยายามพูดว่าสสารหนาแน่นสูงควรประพฤติอย่างไร แต่พวกเขาก็ไม่เห็นด้วยทั้งหมด” Morsink นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอัลเบอร์ตาและสมาชิกคณะทำงานขององค์การนาซ่า เน้นไปที่ความกว้างของดาวนิวตรอนบอกวิทยาศาสตร์การถ่ายทอดสด และวิธีการที่พวกเขาไม่เห็นด้วยทุกคนสามารถทำการทดสอบได้จริงเพราะแต่ละคนทำการทำนายว่าดาวนิวตรอนจะมีขนาดใหญ่ได้อย่างไร

กล่าวอีกนัยหนึ่งการแก้ปัญหาความลึกลับของสสาร Ultraradense นั้นอยู่ในวัตถุที่หนาแน่นที่สุดในเอกภพ - ดาวนิวตรอน และนักวิทยาศาสตร์สามารถถอดรหัสความลึกลับนั้นได้ทันทีที่พวกเขาวัดได้อย่างแม่นยำเพียงว่าดาวนิวตรอนที่มีความกว้าง (และดังนั้นหนาแน่น) จริงๆ

ฟิสิกส์ของอนุภาคในห้วงอวกาศ

“ ดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่อุกอาจที่สุดที่คนส่วนใหญ่ไม่เคยได้ยินมาก่อน” Zaven Arzoumanian นักวิทยาศาสตร์ของนาซ่ากล่าวกับนักฟิสิกส์ในการประชุมที่โคลัมบัสโอไฮโอ

Arzoumanian เป็นหนึ่งในหัวหน้าโครงการ Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) ของนาซ่าซึ่งเป็นพื้นฐานทางเทคนิคสำหรับการทำงานของ Morsink NICER เป็นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่หมุนได้ซึ่งติดตั้งอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติ มันตรวจสอบและแม่นยำครั้งที่รังสีเอกซ์ที่มาถึงในพื้นที่ของวงโคจรโลกต่ำจากอวกาศห้วงลึก

ดาวนิวตรอนเป็นแกนกลางที่ถูกทิ้งไว้หลังจากการระเบิดของซุปเปอร์โนวาขนาดใหญ่ แต่เชื่อว่าจะไม่กว้างกว่าเมืองขนาดกลางมากนัก ดาวนิวตรอนสามารถหมุนด้วยความเร็วเศษแสงสูงและยิงลำแสงพลังงาน X-ray ที่กระพริบไปในอวกาศด้วยเวลาที่แม่นยำกว่าการเสียเวลาของนาฬิกาอะตอม

และที่สำคัญที่สุดสำหรับ Morsink และวัตถุประสงค์ของเพื่อนร่วมงานดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่รู้จักมากที่สุดในเอกภพที่ไม่ได้ยุบตัวลงในหลุมดำ - แต่ไม่เหมือนหลุมดำเป็นไปได้ที่นักวิทยาศาสตร์จะค้นพบสิ่งที่เกิดขึ้นภายในพวกมัน นักดาราศาสตร์ต้องการทราบอย่างแน่ชัดว่าดาวนิวตรอนกว้างแค่ไหนและ NICER เป็นเครื่องมือที่ควรตอบคำถามในที่สุด

ซุปควาร์ก

นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้ว่าสสารทำงานในแกนกลางสุดขั้วของดาวนิวตรอนได้อย่างไร แต่พวกเขาเข้าใจเพียงพอที่จะรู้ว่ามันแปลกมาก

Daniel Watts นักฟิสิกส์อนุภาคแห่งมหาวิทยาลัยเอดินเบอระบอกกับผู้ฟังอีกคนหนึ่งในการประชุม APS ว่าการตกแต่งภายในของดาวนิวตรอนนั้นเป็นเครื่องหมายคำถามที่ยิ่งใหญ่

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการตรวจวัดมวลของดาวนิวตรอนได้อย่างยอดเยี่ยม ยกตัวอย่างเช่นมวลของ J0437-4715 นั้นอยู่ที่ประมาณ 1.44 เท่าของดวงอาทิตย์แม้จะมีขนาดของแมนฮัตตันตอนล่างมากกว่าหรือน้อยกว่า นั่นหมายความว่า Morsink กล่าวว่า J0437-4715 นั้นมีความหนาแน่นมากกว่านิวเคลียสของอะตอมโดยวัตถุที่หนาแน่นที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์พบบนโลกซึ่งสสารส่วนใหญ่ของอะตอมรวมตัวกันอยู่ในจุดเล็ก ๆ

ในระดับความหนาแน่นนั้น Watts อธิบายว่ายังไม่ชัดเจนว่าพฤติกรรมจะทำงานอย่างไร ควาร์กเป็นอนุภาคขนาดเล็กที่ประกอบขึ้นเป็นนิวตรอนและโปรตอนซึ่งประกอบขึ้นเป็นอะตอมไม่สามารถดำรงอยู่ได้อย่างอิสระ แต่เมื่อสสารถึงความหนาแน่นสูงควาร์กสามารถจับกับอนุภาคที่คล้ายกับที่อยู่บนโลกหรือก่อตัวเป็นอนุภาคที่มีขนาดใหญ่และซับซ้อนมากขึ้นหรือบางทีอาจรวมกันเป็นซุปอนุภาคทั่วไป

สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์รู้ว่า Watts บอกกับ Live Science คือรายละเอียดว่าสสารนั้นมีความหนาแน่นมากเพียงใดจะเป็นตัวกำหนดว่าดาวนิวตรอนกว้างแค่ไหนจะได้รับจริง ดังนั้นหากนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดดาวนิวตรอนได้อย่างแม่นยำพวกเขาสามารถ จำกัด ขอบเขตของความเป็นไปได้สำหรับการทำงานของสสารภายใต้สภาวะที่รุนแรงเหล่านั้น

และการตอบคำถามนั้น Watts กล่าวสามารถปลดล็อคคำตอบสำหรับความลึกลับทางฟิสิกส์อนุภาคทุกประเภทที่ไม่เกี่ยวข้องกับดาวนิวตรอน ยกตัวอย่างเช่นเขาพูดว่ามันสามารถช่วยตอบได้ว่านิวตรอนแต่ละตัวจัดตัวเองในนิวเคลียสของอะตอมที่หนักมาก

การวัด NICER ต้องใช้เวลา

Morsink กล่าวว่าดาวนิวตรอนส่วนใหญ่เชื่อกันว่ามีความกว้างประมาณ 12 และ 17 ไมล์ (20 และ 28 กิโลเมตร) แม้ว่าพวกมันอาจจะแคบเพียง 10 ไมล์ (16 กม.) นั่นเป็นช่วงแคบ ๆ ในแง่ของดาราศาสตร์ แต่ยังไม่แม่นยำพอที่จะตอบคำถามชนิดต่าง ๆ ที่ Morsink และเพื่อนร่วมงานของเธอสนใจ

เพื่อที่จะหาคำตอบที่แม่นยำยิ่งขึ้น Morsink และเพื่อนร่วมงานของเธอได้ศึกษารังสีเอกซ์ที่มาจาก "ฮอตสปอต" ที่หมุนอย่างรวดเร็วบนดาวนิวตรอน

แม้ว่าดาวนิวตรอนจะเป็นทรงกลมที่มีขนาดกะทัดรัดอย่างไม่น่าเชื่อสนามแม่เหล็กของพวกมันทำให้เกิดพลังงานออกมาจากพื้นผิวของมันไม่สม่ำเสมอ แพทช์สดใสก่อตัวและเห็ดบนพื้นผิวของพวกเขาวิปปิ้งเป็นวงกลมในขณะที่ดาวหมุนได้หลายครั้งต่อวินาที

นั่นคือสิ่งที่ NICER เข้ามา NICER เป็นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่หมุนได้ซึ่งติดตั้งอยู่บนสถานีอวกาศนานาชาติซึ่งสามารถกำหนดเวลาแสงที่มาจากแผ่นแปะเหล่านั้นได้อย่างสม่ำเสมอ

นั่นช่วยให้ Morsink และเพื่อนร่วมงานของเธอศึกษาสองสิ่งซึ่งทั้งสองอย่างสามารถช่วยให้พวกเขาหารัศมีของดาวนิวตรอน:

1. ความเร็วของการหมุน: เมื่อดาวนิวตรอนหมุน Morsink กล่าวว่าจุดสว่างบนพื้นผิวของมันกระพริบไปมาและอยู่ห่างจากโลกเกือบเหมือนลำแสงจากวงกลมหมุนประภาคาร Morsink และเพื่อนร่วมงานของเธอสามารถศึกษาข้อมูล NICER อย่างรอบคอบเพื่อกำหนดว่าดาวฤกษ์จะกระพริบกี่ครั้งในแต่ละช่วงเวลาและจุดสว่างเคลื่อนที่ผ่านอวกาศอย่างรวดเร็วเพียงใด และความเร็วของการเคลื่อนที่ของจุดสว่างคือฟังก์ชั่นของอัตราการหมุนของดาวและรัศมี หากนักวิจัยสามารถคำนวณการหมุนและความเร็วรัศมีนั้นค่อนข้างง่ายที่จะตัดสิน

2. ดัดแสง: ดาวนิวตรอนมีความหนาแน่นสูงดังนั้น NICER สามารถตรวจจับโฟตอนจากจุดสว่างของดาวฤกษ์ที่ถูกยิงเข้าสู่อวกาศในขณะที่จุดนั้นชี้ออกจากโลก แรงโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนสามารถโค้งงอของแสงได้อย่างรวดเร็วจนโฟตอนหมุนไปทางและชนเข้ากับเซ็นเซอร์ของ NICER อัตราความโค้งของแสงเป็นฟังก์ชันของรัศมีของดาวฤกษ์และมวลของมัน ดังนั้นโดยการศึกษาอย่างถี่ถ้วนว่าดาวฤกษ์ที่มีมวลโค้งเป็นที่รู้จักมากเท่าไรมอร์ลิงก์และเพื่อนร่วมงานของเธอสามารถค้นพบรัศมีของดาวได้

และนักวิจัยก็ใกล้จะประกาศผลของพวกเขาแล้ว Morsink กล่าว (นักฟิสิกส์หลายคนในการพูดคุย APS ของเธอแสดงความผิดหวังเล็กน้อยที่เธอไม่ได้ประกาศหมายเลขเฉพาะและความตื่นเต้นที่กำลังจะเกิดขึ้น)

Morsink บอก Live Science ว่าเธอไม่ได้พยายามหยอกล้อการประกาศที่กำลังจะมาถึง NICER ยังไม่ได้รวบรวมโฟตอนเพียงพอสำหรับทีมเพื่อให้ได้คำตอบที่ดี

“ มันเหมือนกับการเอาเค้กออกจากเตาเร็วเกินไป: คุณแค่ยุ่งเหยิง” เธอกล่าว

แต่โฟตอนจะมาถึงทีละหนึ่งในช่วงเดือนของการศึกษา NICER เป็นระยะ และคำตอบก็คือการเข้าใกล้ ตอนนี้ทีมกำลังดูข้อมูลจาก J0437-4715 และดาวนิวตรอนที่อยู่ใกล้ที่สุดในโลกซึ่งอยู่ห่างออกไปสองเท่า

Morsink กล่าวว่าเธอไม่แน่ใจว่ารัศมีของดาวนิวตรอนใดที่เธอและเพื่อนร่วมงานจะตีพิมพ์ก่อน แต่เธอเสริมว่าการประกาศทั้งสองจะมาภายในไม่กี่เดือน

“ เป้าหมายคือเพื่อให้สิ่งนี้เกิดขึ้นภายหลังในช่วงฤดูร้อนนี้ที่ซึ่งมีการใช้ 'ฤดูร้อน' ในแง่ที่ค่อนข้างกว้าง "เธอกล่าว "แต่ฉันจะบอกว่าภายในเดือนกันยายนเราควรมีอะไรซักอย่าง"