Es dauert 512 Jahre, bis ein hochenergetisches Photon vom nächsten Neutronenstern zur Erde wandert. Nur wenige von ihnen machen die Reise. Sie enthalten jedoch die Informationen, die zur Lösung einer der schwierigsten Fragen der Astrophysik erforderlich sind.
Die Photonen schießen in einem energetischen Ansturm in den Weltraum. Heiße Strahlen von Röntgenenergie platzen von der Oberfläche des winzigen, ultradichten, sich drehenden Überrests einer Supernova. Die Strahlen verteilen sich über lange Jahrhunderte auf der Durchreise. Aber hin und wieder streckt sich ein einzelner Punkt Röntgenlicht, der 157 Parsec (512 Lichtjahre) durch den Weltraum bewegt - 32 Millionen Mal so weit wie die Erde und die Sonne - gegen das X der Internationalen Raumstation (ISS) X aus Strahlenteleskop mit dem Spitznamen NICER. Dann gibt eine Textdatei auf der Erde einen neuen Datenpunkt ein: die Energie des Photons und seine Ankunftszeit, gemessen mit einer Genauigkeit von Mikrosekunden.
Dieser Datenpunkt wird zusammen mit unzähligen anderen Datenpunkten, die im Laufe der Monate gesammelt wurden, bereits im Sommer 2018 eine grundlegende Frage beantworten: Wie breit ist J0437-4715, der nächste Neutronensternnachbar der Erde?
Wenn Forscher die Breite eines Neutronensterns herausfinden können, sagte die Physikerin Sharon Morsink einer Menge von Wissenschaftlern auf dem Treffen der American Physical Society (APS) im April 2018, könnten diese Informationen den Weg zur Lösung eines der großen Rätsel der Teilchenphysik weisen: Wie verhält sich Materie, wenn sie bis zum Äußersten getrieben wird?
Auf der Erde gibt es angesichts der vorhandenen Technologie der Menschheit einige harte Grenzen, wie dicht Materie werden kann, selbst in extremen Labors, und noch härtere Grenzen, wie lange die dichteste Materie, die Wissenschaftler herstellen, überleben kann. Das bedeutet, dass die Physiker nicht herausfinden konnten, wie sich Teilchen bei extremen Dichten verhalten. Es gibt einfach nicht viele gute Experimente.
"Es gibt eine Reihe verschiedener Methoden, mit denen die Leute versuchen zu sagen, wie sich superdichte Materie verhalten soll, aber sie sind sich nicht alle einig", sagte Morsink, Physiker an der Universität von Alberta und Mitglied einer NASA-Arbeitsgruppe konzentrierte sich auf die Breite der Neutronensterne, sagte Live Science. "Und die Art und Weise, wie sie nicht alle übereinstimmen, kann tatsächlich getestet werden, da jeder von ihnen eine Vorhersage darüber macht, wie groß ein Neutronenstern sein kann."
Mit anderen Worten, die Lösung des Geheimnisses der ultradensen Materie ist in einigen der dichtesten Objekte des Universums - Neutronensternen - eingeschlossen. Und Wissenschaftler können dieses Rätsel lösen, sobald sie genau messen, wie breit (und daher dicht) Neutronensterne wirklich sind.
Teilchenphysik im Weltraum
"Neutronensterne sind die empörendsten Objekte, von denen die meisten Menschen noch nie gehört haben", sagte der NASA-Wissenschaftler Zaven Arzoumanian den Physikern beim Treffen in Columbus, Ohio.
Arzoumanian ist einer der Leiter des NICER-Projekts (Neutron Star Interior Composition Explorer) der NASA, das die technische Grundlage für Morsinks Arbeit bildet. NICER ist ein großes, schwenkbares Teleskop, das an der ISS montiert ist. Es überwacht und misst genau die Röntgenstrahlen, die aus dem Weltraum in den Bereich der erdnahen Umlaufbahn gelangen.
Ein Neutronenstern ist der Kern, der nach einer massiven Supernova-Explosion zurückbleibt, aber es wird angenommen, dass er nicht viel breiter ist als eine mittelgroße Stadt. Neutronensterne können sich mit hohen Bruchteilen der Lichtgeschwindigkeit drehen und flackernde Strahlen von Röntgenenergie mit einem genaueren Timing in den Weltraum schießen als das Ticken von Atomuhren.
Und vor allem für Morsink und die Zwecke ihrer Kollegen sind Neutronensterne die dichtesten bekannten Objekte im Universum, die nicht in Schwarze Löcher zusammengebrochen sind - aber anders als bei Schwarzen Löchern können Wissenschaftler herausfinden, was in ihnen vor sich geht. Astronomen müssen nur genau wissen, wie breit Neutronensterne wirklich sind, und NICER ist das Instrument, das diese Frage endlich beantworten sollte.
Quarksuppe
Wissenschaftler wissen nicht genau, wie sich Materie im extremen Kern eines Neutronensterns verhält, aber sie verstehen genug, um zu wissen, dass es sehr seltsam ist.
Daniel Watts, Teilchenphysiker an der Universität von Edinburgh, sagte auf der APS-Konferenz einem separaten Publikum, dass das Innere eines Neutronensterns im Wesentlichen ein großes Fragezeichen ist.
Wissenschaftler haben einige ausgezeichnete Messungen der Massen von Neutronensternen. Die Masse von J0437-4715 ist beispielsweise etwa 1,44-mal so groß wie die der Sonne, obwohl sie mehr oder weniger so groß ist wie Lower Manhattan. Das heißt, Morsink sagte, dass J0437-4715 viel dichter ist als der Kern eines Atoms - bei weitem das dichteste Objekt, dem Wissenschaftler auf der Erde begegnen, wo sich die überwiegende Mehrheit der Materie eines Atoms in nur einem winzigen Fleck in seiner Mitte sammelt.
Bei dieser Dichte, erklärte Watts, ist es überhaupt nicht klar, wie sich Materie verhält. Quarks, die winzigen Teilchen, aus denen Neutronen und Protonen bestehen, die Atome bilden, können allein nicht frei existieren. Wenn die Materie jedoch extreme Dichten erreicht, können sich Quarks weiterhin zu Partikeln binden, die denen auf der Erde ähnlich sind, oder größere, komplexere Partikel bilden oder sich möglicherweise vollständig zu einer allgemeineren Partikelsuppe zusammenballen.
Was Wissenschaftler wissen, sagte Watts gegenüber Live Science, ist, dass die Details des Verhaltens von Materie bei extremen Dichten bestimmen, wie breit Neutronensterne tatsächlich werden. Wenn Wissenschaftler also präzise Messungen von Neutronensternen durchführen können, können sie die Möglichkeiten einschränken, wie sich Materie unter diesen extremen Bedingungen verhält.
Und die Beantwortung dieser Frage, sagte Watts, könnte Antworten auf alle möglichen Rätsel der Teilchenphysik liefern, die nichts mit Neutronensternen zu tun haben. Zum Beispiel, sagte er, könnte es helfen zu beantworten, wie sich einzelne Neutronen in den Kernen sehr schwerer Atome anordnen.
NICER-Messungen brauchen Zeit
Die meisten Neutronensterne, so Morsink, sind vermutlich zwischen 20 und 28 Kilometer breit, obwohl sie so schmal wie 16 Kilometer sein könnten. Das ist in astronomischer Hinsicht ein sehr enger Bereich, aber nicht genau genug, um die Fragen zu beantworten, an denen Morsink und ihre Kollegen interessiert sind.
Um noch präzisere Antworten zu erhalten, untersuchen Morsink und ihre Kollegen Röntgenstrahlen, die von sich schnell drehenden "Hotspots" auf Neutronensternen stammen.
Obwohl Neutronensterne unglaublich kompakte Kugeln sind, führen ihre Magnetfelder dazu, dass die von ihren Oberflächen kommende Energie ziemlich ungleichmäßig ist. Auf ihren Oberflächen bilden sich helle Flecken und Pilze, die sich im Kreis drehen, während sich die Sterne mehrmals pro Sekunde drehen.
Hier kommt NICER ins Spiel. NICER ist ein großes, schwenkbares Teleskop, das auf der ISS montiert ist und das Licht dieser Patches mit unglaublicher Regelmäßigkeit messen kann.
Auf diese Weise können Morsink und ihre Kollegen zwei Dinge untersuchen, die ihnen helfen können, den Radius eines Neutronensterns herauszufinden:
1. Die Drehzahl: Wenn sich der Neutronenstern dreht, sagte Morsink, blinkt der helle Fleck auf seiner Oberfläche zur Erde hin und von ihr weg, fast wie der Strahl eines Leuchtturms, der Kreise dreht. Morsink und ihre Kollegen können die NICER-Daten sorgfältig untersuchen, um sowohl genau zu bestimmen, wie oft der Stern jeden Moment zwinkert, als auch wie schnell sich der helle Punkt durch den Raum bewegt. Und die Geschwindigkeit der Bewegung des hellen Flecks ist eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit des Sterns und seines Radius. Wenn Forscher die Drehung und Geschwindigkeit herausfinden können, ist der Radius relativ einfach zu bestimmen.
2. Leichtes Biegen: Neutronensterne sind so dicht, dass NICER Photonen vom hellen Punkt des Sterns erkennen kann, der in den Weltraum feuerte, während der Punkt von der Erde weg gerichtet war. Die Schwerkraftwanne eines Neutronensterns kann das Licht so stark biegen, dass sich seine Photonen in Richtung des NICER-Sensors drehen und in diesen einschlagen. Die Lichtkrümmungsrate ist auch eine Funktion des Radius des Sterns und seiner Masse. Indem Morsink und ihre Kollegen sorgfältig untersuchen, wie viel ein Stern mit einer bekannten Masse Lichtkurven erzeugt, können sie den Radius des Sterns herausfinden.
Und die Forscher sind kurz davor, ihre Ergebnisse bekannt zu geben, sagte Morsink. (Mehrere Physiker äußerten bei ihrem APS-Vortrag eine leichte Enttäuschung darüber, dass sie keine bestimmte Nummer angekündigt hatte, und die Aufregung, dass sie kommen würde.)
Morsink sagte Live Science, dass sie nicht versucht habe, die bevorstehende Ankündigung zu ärgern. NICER hat einfach noch nicht genug Photonen gesammelt, damit das Team eine gute Antwort geben kann.
"Es ist, als würde man einen Kuchen zu früh aus dem Ofen nehmen: Man bekommt nur ein Durcheinander", sagte sie.
Aber die Photonen kommen nacheinander während der monatelangen NICER-Studien an. Und eine Antwort kommt näher. Derzeit untersucht das Team Daten von J0437-4715 und dem nächstgelegenen Neutronenstern der Erde, der etwa doppelt so weit entfernt ist.
Morsink sagte, sie sei sich nicht sicher, welchen Radius der Neutronenstern sie und ihre Kollegen zuerst veröffentlichen werden, aber sie fügte hinzu, dass beide Ankündigungen innerhalb von Monaten kommen werden.
"Das Ziel ist, dass dies später in diesem Sommer geschieht, wo 'Sommer' in einem ziemlich weiten Sinne verwendet wird", sagte sie. "Aber ich würde sagen, dass wir bis September etwas haben sollten."
