לוקח פוטון בעל אנרגיה גבוהה לנסוע מכוכב הנויטרונים הקרוב ביותר לכדור הארץ. רק כמה מהם עושים את הטיול. אך הם נושאים את המידע הדרוש כדי לפתור את אחת השאלות הקשות ביותר באסטרופיזיקה.
הפוטונים יורים לחלל במהירות אנרגטית. קרניים חמות של אנרגיית רנטגן מתפרצות מעל פני השריד הזעיר, האולטרה-סנסורי, המסתובב של סופרנובה. הקורות מתפזרות לאורך מאות שנים במעבר. אבל מדי פעם נקודה בודדת של אור רנטגן שנסעה 157 פרסקות (512 שנות אור) על פני החלל - פי 32 מיליון מהמרחק בין כדור הארץ לשמש - ממצה את עצמה כנגד תחנת החלל הבינלאומית (ISS) X טלסקופ-מערך, המכונה NICER. ואז, על פני כדור הארץ, קובץ טקסט נכנס לנקודת נתונים חדשה: אנרגיית הצילום וזמן ההגעה שלו, נמדד בדיוק של מיקרו-שניות.
נקודת נתונים זו, יחד עם אינספור אחרים כמו שהיא נאספה במהלך חודשים, תענה על שאלה בסיסית כבר בקיץ 2018: כמה רחוק J0437-4715, שכנת כוכב הנויטרונים הקרוב ביותר בכדור הארץ?
אם החוקרים יכולים להבין את רוחב כוכב הנויטרונים, הפיזיקאי שרון מורסינק אמר לקהל מדענים בפגישה של האגודה האמריקאית לפיזיקה (APS) באפריל 2018, כי מידע יכול להצביע על הדרך לפתור את אחת התעלומות הגדולות של פיזיקת החלקיקים: כיצד האם החומר מתנהג כשנדחפים לקצוות הפרועים ביותר שלו?
על פני כדור הארץ, בהינתן הטכנולוגיה הקיימת של האנושות, ישנם כמה גבולות קשים לכמה יכול להגיע לחומר צפוף, אפילו במעבדות קיצוניות, ואף גבולות קשים יותר למשך הזמן בו החומר הצפוף ביותר המדענים יכולים לשרוד. המשמעות היא שפיזיקאים לא הצליחו להבין כיצד חלקיקים מתנהגים בצפיפות קיצונית. פשוט אין הרבה ניסויים טובים.
מורסינק, פיזיקאי מאוניברסיטת אלברטה וחבר בקבוצת עבודה של נאס"א, "יש מספר מתודולוגיות שונות שאנשים עוסקים בהן כדי לנסות לומר כיצד חומר צפוף-סופר צריך להתנהג, אבל כולם לא מסכימים. התרכז ברוחב כוכבי הנויטרונים, אמר ל- Live Science. "ואת הדרך שבה כולם לא מסכימים ניתן למעשה לבדוק כי כל אחד מהם מנבא עד כמה גדול יכול להיות כוכב נויטרונים."
במילים אחרות, הפיתרון לתעלומת החומר האולטרה-סנס נעול בתוך כמה מהאובייקטים הצפופים ביותר של היקום - כוכבי נויטרונים. ומדענים יכולים לפצח את התעלומה הזו ברגע שהם מודדים בדיוק עד כמה באמת כוכבי נויטרונים רחבים (ולכן הם צפופים).
פיזיקת חלקיקים במרחב העמוק
"כוכבי נויטרון הם החפצים המקוממים ביותר שרוב האנשים מעולם לא שמעו עליהם", אמר מדען נאס"א זאבן ארזומניאן לפיזיקאים בפגישה בקולומבוס, אוהיו.
ארזומניאן הוא אחד מראשי פרויקט הכלי Neutron Star הפנים של נאס"א (NICER), המהווה את הבסיס הטכני ליצירתו של מורסינק. NICER הוא טלסקופ גדול ומסתובב המותקן על ISS; הוא עוקב אחר רגעים של צילומי הרנטגן המגיעים לאזור מסלול כדור הארץ הנמוך מהחלל העמוק.
כוכב נויטרונים הוא הגרעין שנותר מאחור לאחר פיצוץ סופרנובה מסיבי, אך הוא מאמין שהוא לא הרבה יותר רחב מעיר בגודל בינוני. כוכבי נויטרון יכולים להסתובב בשברים גדולים של מהירות האור, ויורים אלומות מרצפות מהבהבות של אנרגיית רנטגן לחלל בתזמון מדויק יותר מאשר מתקתק של שעונים אטומיים.
והכי חשוב למטרות מורסינק ועמיתיה, כוכבי הנויטרונים הם האובייקטים הצפופים ביותר ביקום שלא התמוטטו לחורים שחורים - אך בניגוד לחורים שחורים, מדענים יכולים להבין מה קורה בתוכם. אסטרונומים רק צריכים לדעת במדויק עד כמה כוכבי נויטרונים רחבים באמת, ו- NICER הוא הכלי שצריך סוף סוף לענות על שאלה זו.
מרק קווארק
מדענים לא יודעים בדיוק כיצד החומר מתנהג בליבה הקיצונית של כוכב נויטרונים, אבל הם מבינים מספיק כדי לדעת שזה מאוד מוזר.
דניאל ווטס, פיזיקאי חלקיקים מאוניברסיטת אדינבורו, אמר לקהל נפרד בכנס ה- APS כי פנים כוכב נויטרונים הוא למעשה סימן שאלה גדול ויפה.
למדענים יש כמה מדידות מצוינות של המוני כוכבי נויטרונים. המסה של J0437-4715, למשל, היא בערך פי 1.44 מכמות השמש, למרות שהיא פחות או יותר בגודלה של מנהטן התחתונה. פירושו של דבר, אמר מורסינק, כי J0437-4715 צפוף בהרבה מגרעין האטום - ללא ספק האובייקט הצפוף ביותר בו נתקלים מדענים על כדור הארץ, שם הרוב המכריע של חומר האטום אוסף רק דוקרן זעיר במרכזו.
ברמת הצפיפות הזו, הסביר ווטס, בכלל לא ברור איך החומר מתנהג. הקווארקים, החלקיקים הזעירים המרכיבים נויטרונים ופרוטונים המרכיבים אטומים, אינם יכולים להתקיים בחופשיות בעצמם. אך כאשר החומר מגיע לצפיפות קיצונית, הקווארקים עלולים להמשיך להיקשר לחלקיקים הדומים לאלו על פני כדור הארץ, או ליצור חלקיקים גדולים יותר ומורכבים יותר, או אולי לרסק יחדיו למרק חלקיקים כללי יותר.
מה שמדענים יודעים, אמר ווטס ל- Live Science, הוא שהפרטים על אופן התנהגות החומר בצפיפות קיצונית יקבעו עד כמה כוכבי נויטרונים רחבים באמת מגיעים. כך שאם מדענים יכולים לבחון מדידות מדויקות של כוכבי נויטרונים, הם יכולים לצמצם את טווח האפשרויות להתנהגות החומר בתנאים קיצוניים אלה.
וענה על השאלה הזו, אמר ווטס, יכול לפתוח תשובות לכל מיני תעלומות-פיסיקת חלקיקים שלא קשורות כלל לכוכבי נויטרונים. לדוגמה, הוא אמר, זה יכול לעזור לענות בדיוק כיצד נויטרונים בודדים מסדרים את עצמם בגרעינים של אטומים כבדים מאוד.
מדידות של NICER אורכות זמן
על פי ההערכה, מרבית כוכבי הנויטרונים הם ברוחב של 12 עד 17 מייל (20-28 ק"מ), אם כי הם עשויים להיות צרים כמו 16 ק"מ. זה טווח צר מאוד מבחינת אסטרונומיה, אבל לא מספיק מדויק כדי לענות על סוגי השאלות שמורסינק ועמיתיה מתעניינים בהם.
כדי ללחוץ לעבר תשובות מדויקות עוד יותר, מורסינק ועמיתיה בוחנים צילומי רנטגן שמקורם בסיבוב מהיר של "נקודות חמות" בכוכבי נויטרונים.
אף על פי שכוכבי הנויטרונים הם תחומים קומפקטיים להפליא, השדות המגנטיים שלהם גורמים לאנרגיה שיוצאת משטחיםיהם להיות לא אחידים למדי. טלאים בהירים נוצרים ופטריים על משטחיםיהם, מסתובבים במעגלים כשהכוכבים מסתובבים פעמים רבות בשנייה.
כאן נכנס NICER. NICER הוא טלסקופ גדול מסתובב המותקן על ISS שיכול לזמן את האור שמגיע מאותם טלאים בסדירות מדהימה.
זה מאפשר למורסינק ועמיתיה ללמוד שני דברים, ששניהם יכולים לעזור להם להבין את רדיוס כוכב הנויטרונים:
1. מהירות הסיבוב: כשכוכב הנויטרונים מסתובב, אמר מורסינק, נקודת האור על פני השטח שלו קורצת לכיוון כדור הארץ ומחוצה לו כמעט כמו הקורה ממגדלור המסתובב מעגלים. מורסינק ועמיתיה יכולים ללמוד בזהירות את נתוני NICER כדי לקבוע שניהם בדיוק כמה פעמים הכוכב קורץ לכל רגע ורק כמה מהר נקודת האור עוברת בחלל. ומהירות תנועת הנקודה הבהירה היא פונקציה של קצב הסיבוב של הכוכב ורדיוסו. אם החוקרים יכולים להבין את הסיבוב והמהירות, קל יחסית לקבוע את הרדיוס.
2. כיפוף קל: כוכבי נויטרון כל כך צפופים עד ש- NICER יכול לאתר פוטונים מהנקודה הבהירה של הכוכב שנורה לחלל בזמן שהנקודה הייתה מופנית מכדור הארץ. באר כוח הכבידה של כוכב נויטרונים יכולה לכופף אור בצורה כה חדה עד שהפוטונים שלו פונים לכיוון ומכוים לחיישן של NICER. קצב עקמומיות האור הוא גם פונקציה של רדיוס הכוכב והמסה שלו. לכן, על ידי בדיקה מדוקדקת של עד כמה כוכב עם מסה ידועה מתעקם, מורסינק ועמיתיה יכולים להבין את רדיוס הכוכב.
החוקרים קרובים להודיע על תוצאותיהם, אמר מורסינק. (כמה פיזיקאים בשיחת ה- APS שלה הביעו אכזבה קלה על כך שהיא לא הודיעה על מספר ספציפי והתרגשות שהוא מגיע.)
מורסינק אמרה ל- Live Science שהיא לא מנסה להקניט את ההודעה הקרובה. NICER פשוט לא אסף מספיק פוטונים כדי שהצוות יביא תשובה טובה.
"זה כמו להוציא עוגה מהתנור מוקדם מדי: אתה בסופו של דבר עם בלגן," אמרה.
אבל הפוטונים מגיעים, אחד אחד, במהלך חודשי המחקר התקופתי של NICER. והתשובה היא להתקרב. כרגע הצוות בודק נתונים מ- J0437-4715 וכוכב הנויטרונים הקרוב ביותר בכדור הארץ, שנמצא בערך פי שניים משם.
מורסינק אמרה שהיא לא בטוחה באיזה רדיוס כוכב הנויטרונים היא ועמיתיה יפרסמו תחילה, אך היא הוסיפה כי שתי ההודעות יגיעו תוך חודשים.
"המטרה היא שזה יקרה בהמשך הקיץ הזה, שבו משתמשים ב'קיץ 'במובן די רחב", אמרה. "אבל הייתי אומר שעד ספטמבר, אנחנו צריכים שיהיה לנו משהו."
