Wanneer een grote ster tegen het einde van zijn levensduur door zwaartekracht instort, is vaak een neutronenster het resultaat. Dit is wat overblijft nadat de buitenste lagen van de ster zijn weggeblazen in een enorme explosie (d.w.z. een supernova) en de kern is gecomprimeerd tot extreme dichtheid. Daarna neemt de rotatiesnelheid van de ster aanzienlijk toe en waar ze stralen van elektromagnetische straling uitzenden, worden ze 'pulsars'.
En nu, 50 jaar nadat ze voor het eerst werden ontdekt door de Britse astrofysicus Jocelyn Bell, staat de eerste missie, gewijd aan de studie van deze objecten, op het punt te worden opgezet. Het staat bekend als de Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), een tweedelig experiment dat deze zomer zal worden ingezet in het internationale ruimtestation ISS. Als alles goed gaat, zal dit platform licht werpen op een van de grootste astronomische mysteries en nieuwe technologieën testen.
Astronomen bestuderen al bijna een eeuw neutronensterren, die een aantal zeer nauwkeurige metingen van hun massa's en radii hebben opgeleverd. Wat er zich in het binnenste van een neutronenster afspeelt, blijft echter een blijvend mysterie. Hoewel er talloze modellen zijn ontwikkeld die de fysica van hun interieur beschrijven, is het nog steeds niet duidelijk hoe materie zich onder dit soort omstandigheden zou gedragen.
Niet verwonderlijk, aangezien neutronensterren doorgaans ongeveer 1,4 keer de massa van onze zon (of 460.000 keer de massa van de aarde) bevatten in een ruimte die zo groot is als een stad. Dit soort situaties, waarin een aanzienlijke hoeveelheid materie is verpakt in een zeer klein volume - resulterend in verpletterende zwaartekracht en een ongelooflijke materiedichtheid - wordt nergens anders in het heelal gezien.
Zoals Keith Gendreau, een wetenschapper bij het Goddard Space Flight Center van NASA, uitlegde in een recente persverklaring van NASA:
'De aard van de materie onder deze omstandigheden is een decennia oud onopgelost probleem. Theorie heeft een groot aantal modellen ontwikkeld om de fysica te beschrijven die de interieurs van neutronensterren bestuurt. Met NICER kunnen we deze theorieën eindelijk testen met nauwkeurige waarnemingen. ”
NICE is ontwikkeld door NASA's Goddard Space Flight Center met de hulp van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), het Naval Research Laboratory en universiteiten in de Verenigde Staten en Canada. Het bestaat uit een apparaat van koelkastformaat dat 56 röntgentelescopen en siliciumdetectoren bevat. Hoewel het oorspronkelijk de bedoeling was om eind 2016 te worden ingezet, kwam er pas dit jaar een startvenster beschikbaar.
Eenmaal geïnstalleerd als een externe lading aan boord van het ISS, zal het gedurende 18 maanden gegevens verzamelen over neutronensterren (voornamelijk pulsars) door neutronensterren in de röntgenband te observeren. Hoewel deze sterren straling over het hele spectrum uitzenden, wordt aangenomen dat röntgenwaarnemingen het meest veelbelovend zijn als het gaat om het onthullen van dingen over hun structuur en verschillende daarmee gepaard gaande hoogenergetische verschijnselen.
Deze omvatten sterbevingen, thermonucleaire explosies en de krachtigste magnetische velden die in het heelal bekend zijn. Om dit te doen, verzamelt NICER röntgenstralen die worden gegenereerd uit de magnetische velden en magnetische polen van deze sterren. Dit is de sleutel, omdat het aan de polen is dat de sterkte van de magnetische velden van een neutronenster ervoor zorgt dat deeltjes worden opgesloten en op het oppervlak regenen, wat röntgenstralen produceert.
In pulsars zijn het deze intense magnetische velden die ervoor zorgen dat energetische deeltjes gerichte bundels van straling worden. Deze stralen geven pulsars hun naam, omdat ze verschijnen als flitsen dankzij de rotatie van de ster (waardoor ze hun "vuurtoren" -achtige uiterlijk krijgen). Zoals natuurkundigen hebben opgemerkt, zijn deze pulsaties voorspelbaar en kunnen daarom op dezelfde manier worden gebruikt als atoomklokken en het Global Positioning System hier op aarde zijn.
Hoewel het primaire doel van NICER wetenschap is, biedt het ook de mogelijkheid om nieuwe vormen van technologie te testen. Het instrument zal bijvoorbeeld worden gebruikt voor de allereerste demonstratie van autonome röntgenpulsar-gebaseerde navigatie. Als onderdeel van de Station Explorer voor X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT), zal het team de telescopen van NICER gebruiken om de door pulsars gegenereerde röntgenstralen te detecteren om de aankomsttijden van hun pulsen te schatten.
Het team gebruikt vervolgens speciaal ontworpen algoritmen om een ingebouwde navigatieoplossing te creëren. In de toekomst zouden interstellaire ruimteschepen er theoretisch op kunnen vertrouwen om hun locatie autonoom te berekenen. Hierdoor zouden ze hun weg in de ruimte kunnen vinden zonder te hoeven vertrouwen op NASA's Deep Space Network (DSN), dat wordt beschouwd als het meest gevoelige telecommunicatiesysteem ter wereld.
Naast navigatie hoopt het NICER-project ook de allereerste test uit te voeren van de levensvatbaarheid van röntgengebaseerde communicatie (XCOM). Door röntgenstralen te gebruiken om gegevens te verzenden en te ontvangen (op dezelfde manier als we momenteel radiogolven gebruiken), kon ruimtevaartuig gegevens verzenden met een snelheid van gigabit per seconde over interplanetaire afstanden. Zo'n capaciteit kan een revolutie teweegbrengen in de manier waarop we communiceren met bemande missies, rover en orbiters.
Centraal in beide demonstraties staat de gemoduleerde röntgenbron (MXS), die het NICER-team heeft ontwikkeld om de detectoren van de lading te kalibreren en de navigatiealgoritmen te testen. Dit apparaat genereert röntgenstralen met een snel variërende intensiteit (door vele malen per seconde in en uit te schakelen) en simuleert de pulsaties van een neutronenster. Zoals Gendreau uitlegde:
"Dit is een heel interessant experiment dat we doen in het ruimtestation. We hebben veel geweldige steun gehad van de mensen van de wetenschap en ruimtetechnologie op het NASA-hoofdkantoor. Ze hebben ons geholpen de technologieën te ontwikkelen die NICER mogelijk maken, evenals de technologieën die NICER zal demonstreren. De missie is baanbrekend op verschillende niveaus. ”
We hopen dat de MXS ergens volgend jaar klaar is voor verzending naar het station; waarop de navigatie- en communicatiedemonstraties konden beginnen. En naar verwachting zal het team vóór 25 juli, het 50-jarig jubileum van de ontdekking van Bell, voldoende gegevens hebben verzameld om bevindingen te presenteren op wetenschappelijke conferenties die later dit jaar gepland staan.
Als het succesvol is, kan NICER ons begrip van hoe neutronensterren (en hoe materie zich gedraagt in een super-dichte toestand) gedraagt revolutioneren. Deze kennis kan ons ook helpen om andere kosmologische mysteries zoals zwarte gaten te begrijpen. Bovendien kunnen röntgencommunicatie en navigatie een revolutie teweegbrengen in de verkenning van de ruimte en reizen zoals we die nu kennen. Naast het grotere rendement van robotmissies die dichter bij huis zijn, kan het ook lucratieve missies naar locaties in het buitenste zonnestelsel en zelfs daarbuiten mogelijk maken.
