Het duurt 512 jaar voordat een hoogenergetisch foton van de dichtstbijzijnde neutronenster naar de aarde reist. Slechts een paar van hen maken de reis. Maar ze bevatten de informatie die nodig is om een van de moeilijkste vragen in de astrofysica op te lossen.
De fotonen schieten in een energetische rush de ruimte in. Hete stralen van röntgenenergie barsten uit het oppervlak van het kleine, ultracompacte, draaiende overblijfsel van een supernova. De balken verspreiden zich gedurende lange eeuwen tijdens het transport. Maar af en toe zet een enkele stip röntgenlicht dat 157 parsecs (512 lichtjaar) door de ruimte heeft gereisd - 32 miljoen keer de afstand tussen de aarde en de zon - zichzelf uit tegen het ISS X van het International Space Station -ray telescoop, bijgenaamd NICER. Dan, beneden op aarde, komt een tekstbestand een nieuw gegevenspunt binnen: de energie van het foton en zijn aankomsttijd, gemeten met microseconde nauwkeurigheid.
Dat datapunt, samen met talloze andere zoals het in de loop van maanden is verzameld, zal al in de zomer van 2018 een fundamentele vraag beantwoorden: hoe breed is J0437-4715, de dichtstbijzijnde neutronenster-buur van de aarde?
Als onderzoekers de breedte van een neutronenster kunnen achterhalen, vertelde natuurkundige Sharon Morsink aan een menigte wetenschappers tijdens de bijeenkomst van de American Physical Society (APS) in april 2018, zou die informatie de weg kunnen wijzen naar het oplossen van een van de grote mysteries van deeltjesfysica: hoe gedraagt de materie zich wanneer ze tot het uiterste wordt gedreven?
Op aarde zijn er, gezien de bestaande technologie van de mensheid, een aantal harde limieten voor hoe dicht materie kan worden, zelfs in extreme laboratoria, en nog hardere limieten voor hoe lang de dichtste materie die wetenschappers maken, kan overleven. Dat betekent dat natuurkundigen niet hebben kunnen achterhalen hoe deeltjes zich gedragen bij extreme dichtheden. Er zijn gewoon niet veel goede experimenten beschikbaar.
'Er zijn een aantal verschillende methodologieën die mensen verzinnen om te zeggen hoe supercompacte materie zich moet gedragen, maar ze zijn het er niet allemaal over eens', zegt Morsink, een natuurkundige aan de Universiteit van Alberta en lid van een NASA-werkgroep gericht op de breedte van neutronensterren, vertelde WordsSideKick.com. 'En de manier waarop ze het er niet allemaal over eens zijn, kan daadwerkelijk worden getest, omdat ze allemaal een voorspelling doen over hoe groot een neutronenster kan zijn.'
Met andere woorden, de oplossing voor het mysterie van ultra-dichte materie zit opgesloten in enkele van de dichtste objecten van het universum - neutronensterren. En wetenschappers kunnen dat mysterie ontrafelen zodra ze precies meten hoe breed (en dus dichte) neutronensterren werkelijk zijn.
Deeltjesfysica in de verre ruimte
"Neutronensterren zijn de meest buitensporige objecten waarvan de meeste mensen nog nooit hebben gehoord", vertelde NASA-wetenschapper Zaven Arzoumanian tegen natuurkundigen tijdens de bijeenkomst in Columbus, Ohio.
Arzoumanian is een van de hoofden van het NASA-project Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), dat de technische basis vormt voor het werk van Morsink. NICER is een grote, zwenkbare telescoop die op het ISS is gemonteerd; het monitort en meet precies de röntgenstralen die vanuit de verre ruimte in het gebied van de lage baan om de aarde arriveren.
Een neutronenster is de kern die achterblijft na een enorme supernova-explosie, maar er wordt aangenomen dat deze niet veel breder is dan een middelgrote stad. Neutronensterren kunnen met hoge fracties van de lichtsnelheid ronddraaien en flikkerende stralen röntgenenergie de ruimte in schieten met een nauwkeurigere timing dan het tikken van atoomklokken.
En het allerbelangrijkste voor de doeleinden van Morsink en haar collega's, neutronensterren zijn de dichtst bekende objecten in het universum die niet zijn ingestort in zwarte gaten - maar in tegenstelling tot zwarte gaten, is het voor wetenschappers mogelijk om erachter te komen wat er zich in hen afspeelt. Astronomen hoeven alleen maar precies te weten hoe breed neutronensterren werkelijk zijn, en NICER is het instrument dat die vraag eindelijk moet beantwoorden.
Kwarkensoep
Wetenschappers weten niet precies hoe materie zich gedraagt in de uiterste kern van een neutronenster, maar ze begrijpen genoeg om te weten dat het heel raar is.
Daniel Watts, een deeltjesfysicus aan de Universiteit van Edinburgh, vertelde een apart publiek op de APS-conferentie dat het interieur van een neutronenster in wezen een heel groot vraagteken is.
Wetenschappers hebben een aantal uitstekende metingen van de massa van neutronensterren. De massa van J0437-4715 is bijvoorbeeld ongeveer 1,44 keer die van de zon, ondanks dat hij min of meer zo groot is als Lower Manhattan. Dat betekent, zei Morsink, dat J0437-4715 veel dichter is dan de kern van een atoom - verreweg het dichtste object dat wetenschappers op aarde tegenkomen, waar de overgrote meerderheid van de materie van een atoom zich verzamelt in slechts een klein stipje in het midden.
Op dat niveau van dichtheid, legde Watts uit, is het helemaal niet duidelijk hoe materie zich gedraagt. Quarks, de kleine deeltjes waaruit neutronen en protonen bestaan, die atomen vormen, kunnen niet vrij op zichzelf bestaan. Maar wanneer materie extreme dichtheden bereikt, kunnen quarks zich blijven binden aan deeltjes die vergelijkbaar zijn met die op aarde, of grotere, complexere deeltjes vormen, of misschien helemaal samenvloeien tot een meer algemene deeltjessoep.
Wat wetenschappers wel weten, vertelde Watts aan WordsSideKick.com, is dat de details van hoe materie zich gedraagt bij extreme dichtheden zullen bepalen hoe breed neutronensterren eigenlijk worden. Dus als wetenschappers nauwkeurige metingen van neutronensterren kunnen bedenken, kunnen ze het scala aan mogelijkheden beperken voor hoe materie zich onder die extreme omstandigheden gedraagt.
En het beantwoorden van die vraag, zei Watts, zou antwoorden kunnen ontsluiten op allerlei mysteries van deeltjesfysica die niets te maken hebben met neutronensterren. Hij zei bijvoorbeeld dat het zou kunnen helpen beantwoorden hoe individuele neutronen zichzelf rangschikken in de kernen van zeer zware atomen.
NICER-metingen kosten tijd
De meeste neutronensterren, zei Morsink, zouden tussen de 20 en 28 kilometer breed zijn, hoewel ze wel 16 kilometer lang kunnen zijn. Dat is een heel beperkt bereik in astronomie-termen, maar niet helemaal nauwkeurig genoeg om het soort vragen te beantwoorden waar Morsink en haar collega's in geïnteresseerd zijn.
Om nog nauwkeurigere antwoorden te krijgen, bestuderen Morsink en haar collega's röntgenstralen die afkomstig zijn van snel ronddraaiende "hotspots" op neutronensterren.
Hoewel neutronensterren ongelooflijk compacte bollen zijn, zorgen hun magnetische velden ervoor dat de energie die van hun oppervlak komt vrij ongelijkmatig is. Er vormen zich heldere vlekken en paddenstoelen op hun oppervlak, die in cirkels ronddraaien terwijl de sterren vele malen per seconde draaien.
Dat is waar NICER binnenkomt. NICER is een grote, draaibare telescoop die op het ISS is gemonteerd en die het licht van die plekken met een ongelooflijke regelmaat kan timen.
Dat stelt Morsink en haar collega's in staat om twee dingen te bestuderen, die beide kunnen helpen bij het bepalen van de straal van een neutronenster:
1. De rotatiesnelheid: Wanneer de neutronenster ronddraait, zei Morsink, knipoogt de heldere plek op het oppervlak naar en weg van de aarde, bijna zoals de straal van een vuurtoren die cirkels draait. Morsink en haar collega's kunnen NICER-gegevens zorgvuldig bestuderen om te bepalen hoe vaak de ster elk moment knipoogt en hoe snel de lichtvlek door de ruimte beweegt. En de snelheid van de beweging van de heldere vlek is een functie van de rotatiesnelheid en de straal van de ster. Als onderzoekers de rotatie en snelheid kunnen achterhalen, is de straal relatief eenvoudig te bepalen.
2. Licht buigen: Neutronensterren zijn zo dicht dat NICER fotonen kan detecteren van de heldere plek van de ster die de ruimte in schoot terwijl de plek van de aarde af gericht was. De zwaartekrachtbron van een neutronenster kan het licht zo scherp buigen dat de fotonen naar NICER's sensor draaien en erin slaan. De snelheid van de lichtkromming is ook een functie van de straal van de ster en zijn massa. Dus door zorgvuldig te onderzoeken hoeveel een ster met een bekende massa licht buigt, kunnen Morsink en haar collega's de straal van de ster berekenen.
En de onderzoekers kondigen hun resultaten bijna aan, zei Morsink. (Verschillende natuurkundigen bij haar APS-toespraak spraken enige lichte teleurstelling uit dat ze geen specifiek nummer had aangekondigd, en opwinding dat het zou komen.)
Morsink vertelde WordsSideKick.com dat ze de aanstaande aankondiging niet probeerde te plagen. NICER heeft nog niet genoeg fotonen verzameld om het team een goed antwoord te geven.
'Het is alsof je een taart te vroeg uit de oven haalt: je krijgt gewoon een zooitje', zei ze.
Maar de fotonen arriveren één voor één tijdens de periodieke maanden van NICER. En een antwoord komt dichterbij. Op dit moment bekijkt het team gegevens van J0437-4715 en de dichtstbijzijnde dichtstbijzijnde neutronenster van de aarde, die ongeveer twee keer zo ver weg is.
Morsink zei dat ze niet zeker weet welke straal van de neutronenster zij en haar collega's als eerste zullen publiceren, maar ze voegde eraan toe dat beide aankondigingen binnen enkele maanden zullen plaatsvinden.
'Het doel is dat dit later deze zomer gebeurt, waar' zomer 'in vrij brede zin wordt gebruikt', zei ze. 'Maar ik zou zeggen dat we tegen september iets zouden moeten hebben.'
