NICER NASA menguji batas materi: membuktikan ekspresifitas bintang neutron

Bintang neutron NASA Interior Composition Explorer (NICER), di tengah, adalah teleskop sinar-X di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Kredit: NASA

Materi di jantung bintang neutron (sisa padat dari bintang masif yang meledak) mengambil bentuk paling ekstrem yang dapat kita ukur. Sekarang, berkat data dari NASAPenjelajah Komposisi Interior (NICER), sebuah bintang neutron, sebuah teleskop sinar-X di Stasiun Luar Angkasa Internasional, telah menemukan bahwa materi misterius ini kurang dapat diremas daripada yang diprediksikan oleh beberapa fisikawan.

Penemuan ini didasarkan pada pengamatan NICER pada PSR J0740 + 6620 (disingkat J0740), bintang neutron, yang berjarak lebih dari 3.600 tahun cahaya di konstelasi utara Camelopardalis. J0740 dalam sistem bintang biner dengan katai putih, sisa pendinginan dari bintang mirip Matahari, dan berputar 346 kali per detik. Pengamatan sebelumnya menempatkan massa bintang neutron sekitar 2,1 kali massa Matahari.

“Kita dikelilingi oleh materi normal, hal-hal yang kita alami sehari-hari, tetapi banyak yang tidak kita ketahui tentang bagaimana materi berperilaku dan bagaimana ia berubah, dalam kondisi ekstrim,” kata Zaven Arzoumanian, kepala ilmuwan NASA di NASA Goddard Space Flight. Pusat di Greenbelt, Maryland. “Dengan mengukur ukuran dan massa bintang neutron dengan NICER, kami mengeksplorasi materi yang akan meledak menjadi a lubang hitam. Setelah itu terjadi, kita tidak dapat lagi mempelajari materi karena tersembunyi oleh cakrawala peristiwa di lubang hitam.

Arzoumanian dan anggota tim NICER mempresentasikan temuan mereka pada hari Sabtu, 17 April pada pertemuan virtual American Physical Society, dan artikel yang menjelaskan temuan dan implikasinya sedang menjadi subjek tinjauan ilmiah.


Saksikan saat bintang neutron di NASA’s Interior Composition Explorer (NICER) membantu fisikawan melihat jantung bintang neutron, sisa-sisa bintang masif yang meledak dalam supernova. Para ilmuwan ingin menjelajahi sifat materi di dalam objek-objek ini, yang keberadaannya akan segera runtuh ke dalam lubang hitam. Untuk melakukan ini, para ilmuwan membutuhkan pengukuran yang akurat dari massa dan ukuran bintang neutron, yang sekarang dimungkinkan oleh NICER dan upaya lainnya. Kredit: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA

Di akhir masa hidupnya, sebuah bintang yang berkali-kali lebih berat dari Matahari akan kehabisan bahan bakar di intinya, tenggelam oleh beratnya sendiri, dan meledak menjadi supernova. Bintang yang lebih berat dari ledakan ini meninggalkan lubang hitam. Bintang neutron yang lebih ringan, yang mengemas lebih banyak massa daripada Matahari menjadi bola selebar Pulau Manhattan di New York.

Ilmuwan mengira bahwa bintang neutron berada dalam lapisan. Di permukaan, atmosfer tipis atom hidrogen atau helium bertumpu pada kerak padat atom yang lebih berat. Di kerak bumi, peningkatan tekanan yang cepat menarik elektron dari inti atom. Jauh di bawah, di inti terluar, inti membelah menjadi neutron dan proton. Tekanan yang sangat besar menghancurkan proton dan elektron bersama-sama untuk membentuk lautan yang sebagian besar terdiri dari neutron yang menumpuk untuk menggandakan kepadatan inti atom.

Lapisan bintang neutron

Ilmuwan mengira bintang neutron adalah lapisan. Sebagaimana diperlihatkan dalam ilustrasi ini, keadaan materi di inti dalamnya tetap misterius. Kredit: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA / Lab Gambar Konseptual

Tetapi bentuk apa yang diambil materi di dalam inti? Apakah mereka neutron seluruhnya, atau apakah neutron dipecah menjadi bagian penyusunnya sendiri, yang disebut quark?

Fisikawan telah mengajukan pertanyaan ini sejak Walter Baade dan Fritz Zwicky mengajukan keberadaan bintang neutron pada tahun 1934. Untuk menjawabnya, para astronom membutuhkan pengukuran yang akurat baik ukuran maupun massa benda-benda tersebut. Ini memungkinkan mereka untuk menghitung hubungan antara tekanan dan kepadatan di inti dalam bintang dan mengevaluasi kapasitas tekan maksimum materi.

Dalam model tradisional bintang neutron biasa, yang memiliki massa sekitar 1,4 kali Matahari, fisikawan mengharapkan inti dalam penuh dengan neutron. Kepadatan yang lebih rendah memastikan bahwa neutron tetap terpisah cukup untuk tetap utuh, dan kekakuan bagian dalam ini menghasilkan bintang yang lebih besar.

Dalam bintang neutron yang lebih masif seperti J0740, kerapatan inti bagian dalam jauh lebih tinggi, sehingga menghancurkan neutron menjadi lebih dekat. Tidak jelas apakah neutron dapat tetap utuh di bawah kondisi ini atau apakah mereka membelah menjadi quark. Para ahli teori menduga bahwa mereka melanggar di bawah tekanan, tetapi banyak pertanyaan tetap tentang detailnya. Untuk mendapatkan jawaban, para ilmuwan membutuhkan pengukuran ukuran yang akurat untuk sebuah bintang neutron masif. Bintang yang lebih kecil akan menyukai skenario di mana quark pergi dengan bebas ke kedalaman terdalam sehingga partikel yang lebih kecil dapat dikemas lebih dekat. Bintang yang lebih besar menunjukkan adanya bentuk materi yang lebih kompleks.

Gravitasi bintang neutron berubah bentuk dalam waktu dekat

Gravitasi bintang neutron berubah bentuk di ruang-waktu terdekat, seperti bola bowling yang bertumpu pada trampolin. Distorsinya cukup kuat untuk mengarahkan cahaya dari sisi terjauh bintang ke arah kita, membuat bintang tampak lebih besar dari yang sebenarnya. Kredit: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR)

Untuk mendapatkan pengukuran akurat yang diperlukan, NICER mengamati bintang neutron yang berputar cepat yang disebut pulsar, ditemukan pada tahun 1967 oleh Jocelyn Bell Burnell. Titik-titik panas yang terang terbentuk pada permukaan benda-benda ini yang memancarkan sinar-X. Saat pulsar berputar, bintik-bintiknya berputar masuk dan keluar dari pandangan seperti balok mercusuar, menghasilkan variasi yang teratur dalam kecerahannya. Sinar-X.

Tapi pulsar juga sangat padat sehingga gravitasinya berubah bentuk dalam waktu dekat, seperti bola bowling yang bertumpu pada trampolin. Distorsi ini cukup kuat untuk menyebabkan cahaya dari sisi jauh bintang (cahaya yang sebelumnya tidak dapat kita deteksi) dialihkan ke kita, yang menyebabkan pulsar itu terlihat lebih besar dari yang sebenarnya. Massa yang sama dalam paket yang lebih kecil menghasilkan distorsi yang lebih besar. Efek ini bisa begitu kuat sehingga dapat mencegah hot spot menghilang sepenuhnya saat berputar di sekitar pulsar.

Ilmuwan dapat memanfaatkan efek ini karena NICER mengukur kedatangan setiap x-ray lebih dari 100 nanodetik. Mengikuti bagaimana kecerahan sinar-X pulsar bervariasi saat berputar, para ilmuwan dapat merekonstruksi seberapa besar distorsi ruang-waktu. Karena mereka mengetahui massanya, mereka dapat menerjemahkan distorsi ini menjadi ukuran.

Dua tim menggunakan pendekatan berbeda untuk memodelkan ukuran J0740. Sebuah kelompok yang dipimpin oleh Thomas Riley dan Anna Watts, seorang peneliti postdoctoral dan profesor astrofisika di Universitas Amsterdam, memperkirakan bahwa diameter pulsar adalah 24,8 kilometer. Sebuah tim yang dipimpin oleh Cole Miller, seorang profesor astronomi di University of Maryland di College Park, menemukan bahwa J0740 lebarnya sekitar 27,4 mil. Kedua hasil tersebut tumpang tindih secara signifikan dalam ketidakpastiannya, mulai dari 22,8 hingga 27,4 kilometer dari 14,2 hingga 17 mil dan 24,4 hingga 32,6 kilometer dari 15,2 hingga 20,2 mil., Masing-masing.

Selain data NICER, kedua kelompok juga memasukkan observasi sinar-X dari satelit XMM-Newton milik Badan Antariksa Eropa yang berguna untuk memperhitungkan kebisingan latar belakang. Massa J0740 sebelumnya ditentukan oleh pengukuran radio yang dilakukan oleh para ilmuwan di Observatorium Nanohertz AS untuk gelombang gravitasi dan kolaborasi eksperimen pemetaan intensitas hidrogen Kanada.

Pada 2019, tim Riley dan Miller menggunakan data NICER untuk memperkirakan ukuran dan massa pulsar J0030 + 0451 (atau J0030). Mereka menentukan bahwa objek itu sekitar 1,4 kali massa Matahari dan berdiameter 26 kilometer.

“Pengukuran baru kami terhadap J0740 menunjukkan bahwa meskipun hampir 50% lebih masif dari J0030, pada dasarnya ukurannya sama,” kata Watts. “Ini menantang beberapa model inti bintang neutron yang paling dapat diringkas, termasuk versi di mana interiornya hanya lautan quark. Ukuran dan massa J0740 juga menimbulkan masalah bagi beberapa model neutron yang kurang dapat diremas. Dan proton” ” .

Model teoritis terbaru mengusulkan beberapa alternatif, seperti inti dalam yang mengandung campuran neutron, proton, dan materi eksotik yang dibentuk oleh quark atau kombinasi baru dari quark. Tetapi perlu mengevaluasi kembali semua kemungkinan dalam konteks informasi baru dari NICER ini.

“Ukuran J0740 membuat kami para ahli teori bingung dan bersemangat,” kata Sanjay Reddy, seorang profesor fisika di Universitas Washington yang mempelajari masalah tersebut dalam kondisi ekstrim tetapi tidak berpartisipasi dalam penemuan. Pengukuran NICER, dikombinasikan dengan pengamatan multi-messenger lainnya, tampaknya mendukung gagasan bahwa tekanan meningkat dengan cepat di inti bintang neutron masif. Meskipun hal ini menghambat transisi ke bentuk materi inti yang lebih dapat diremas, implikasinya belum sepenuhnya dipahami.

Tim Miller juga menentukan sejauh mana para ilmuwan dapat memperkirakan ukuran pulsar, menggunakan pengukuran NICER J0740 dan J0030 untuk melengkapi informasi yang ada dari pulsar berat lainnya dan peristiwa gelombang gravitasi, riak ruang angkasa. -Storm yang dihasilkan oleh tabrakan benda-benda besar seperti neutron bintang dan hitam. lubang.

“Kami sekarang mengetahui radius bintang neutron standar, dengan 1,4 kali massa Matahari, dalam ketidakpastian 5%,” kata Miller. “Ini seperti mengetahui ukuran Washington, DC, sekitar seperempat mil. NICER tidak hanya menulis ulang buku teks tentang bintang neutron, tetapi juga merevolusi kepercayaan kami dalam pengukuran objek yang sangat jauh dan sangat kecil”.

Selain menguji batas materi, bintang neutron juga menawarkan cara baru untuk menjelajahi ruang angkasa yang sangat luas. Pada tahun 2018, tim ilmuwan dan insinyur NASA menggunakan NICER untuk mendemonstrasikan, untuk pertama kalinya, navigasi yang sepenuhnya otonom di luar angkasa menggunakan pulsar, yang dapat merevolusi kemampuan kita untuk mengemudikan pesawat ruang angkasa robotik hingga batas tata surya. Dan seterusnya.

“NICER adalah kru yang hebat,” kata astronot NASA Christina Koch, yang merupakan insinyur penerbangan di stasiun luar angkasa dari Maret 2019 hingga Februari 2020, menetapkan rekor penerbangan luar angkasa, lebih lama dari seorang wanita. “Misi tersebut mencontohkan semua aspek terbaik dari penelitian stasiun. Ini adalah ilmu pengetahuan dasar yang inovatif, ilmu luar angkasa dan inovasi teknologi, semua berkat lingkungan dan platform unik dari laboratorium dalam orbit ”.

NICER adalah misi peluang astrofisika dalam program Penjelajah NASA, yang menawarkan peluang penerbangan berkala untuk penelitian ilmiah kelas dunia dari luar angkasa melalui pendekatan manajemen yang inovatif, efisien dan efisien di bidang sains. Heliofisika dan Astrofisika Arah misi teknologi luar angkasa NASA mendukung komponen SEXTANT dari misi tersebut, mendemonstrasikan navigasi pesawat ruang angkasa berbasis pulsar.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.