Diperlukan 512 tahun untuk foton berenergi tinggi untuk melakukan perjalanan dari bintang neutron terdekat ke Bumi. Hanya beberapa dari mereka yang melakukan perjalanan. Tetapi mereka membawa informasi yang diperlukan untuk menyelesaikan salah satu pertanyaan terberat dalam astrofisika.
Foton menembak ke luar angkasa dengan deras energik. Sinar panas energi sinar-X meledak dari permukaan supernova yang mungil, berputar, dan berputar. Balok tersebar selama berabad-abad panjang dalam perjalanan. Namun sesekali, satu titik cahaya sinar-X yang melakukan perjalanan 157 parsec (512 tahun cahaya) melintasi ruang angkasa - 32 juta kali jarak antara Bumi dan matahari - membelanjakan dirinya melawan Stasiun Luar Angkasa Internasional (ISS) X -ray teleskop, dijuluki NICER. Kemudian, di Bumi, file teks memasuki titik data baru: energi foton dan waktu kedatangannya, diukur dengan akurasi mikrodetik.
Titik data itu, bersama dengan yang lainnya yang tak terhitung jumlahnya yang dikumpulkan selama berbulan-bulan, akan menjawab pertanyaan dasar begitu musim panas 2018: Seberapa luas J0437-4715, tetangga bintang neutron terdekat Bumi?
Jika peneliti dapat mengetahui lebar bintang neutron, fisikawan Sharon Morsink mengatakan kepada kerumunan ilmuwan di pertemuan American Physical Society (APS) April 2018, bahwa informasi dapat menunjukkan jalan menuju penyelesaian salah satu misteri besar fisika partikel: Bagaimana Apakah masalah berperilaku ketika didorong ke ekstrem paling liar?
Di Bumi, mengingat teknologi yang ada pada umat manusia, ada beberapa batasan keras tentang bagaimana materi padat bisa didapat, bahkan di laboratorium yang ekstrem, dan bahkan batas yang lebih sulit tentang berapa lama materi terpadat yang dibuat para ilmuwan dapat bertahan. Itu berarti bahwa fisikawan belum dapat mengetahui bagaimana partikel berperilaku pada kepadatan ekstrim. Tidak banyak eksperimen bagus yang tersedia.
"Ada sejumlah metodologi berbeda yang muncul dengan orang-orang untuk mencoba mengatakan bagaimana seharusnya benda yang sangat padat, tetapi mereka semua tidak setuju," Morsink, seorang ahli fisika di Universitas Alberta dan anggota kelompok kerja NASA berfokus pada lebar bintang neutron, kata Live Science. "Dan cara mereka semua tidak setuju sebenarnya dapat diuji karena masing-masing dari mereka membuat prediksi untuk seberapa besar bintang neutron."
Dengan kata lain, solusi untuk misteri materi ultradense terkunci di dalam beberapa benda terpadat alam semesta - bintang neutron. Dan para ilmuwan dapat memecahkan misteri itu segera setelah mereka mengukur dengan tepat seberapa lebar (dan, karenanya, padat) bintang-bintang neutron sebenarnya.
Fisika partikel di ruang angkasa
"Bintang-bintang neutron adalah benda paling keterlaluan yang belum pernah didengar kebanyakan orang," kata ilmuwan NASA Zaven Arzoumanian kepada fisikawan pada pertemuan di Columbus, Ohio.
Arzoumanian adalah salah satu kepala proyek NASA Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), yang membentuk dasar teknis untuk pekerjaan Morsink. NICER adalah teleskop berputar besar yang dipasang di ISS; ia memonitor dan secara tepat meng-x-rays yang tiba di daerah orbit Bumi rendah dari angkasa luar.
Bintang neutron adalah inti yang tertinggal setelah ledakan supernova besar-besaran, tetapi diyakini tidak lebih luas dari kota menengah. Bintang-bintang neutron dapat berputar pada fraksi tinggi kecepatan cahaya, menembakkan sinar sinar X yang berkelap-kelip ke ruang angkasa dengan waktu yang lebih tepat daripada detak jam atom.
Dan yang paling penting untuk tujuan Morsink dan rekan-rekannya, bintang-bintang neutron adalah benda paling padat di alam semesta yang belum runtuh menjadi lubang hitam - tetapi tidak seperti dengan lubang hitam, para ilmuwan dapat mengetahui apa yang terjadi di dalamnya. Astronom hanya perlu tahu persis seberapa lebar bintang neutron sebenarnya, dan NICER adalah instrumen yang akhirnya harus menjawab pertanyaan itu.
Sup quark
Para ilmuwan tidak tahu persis bagaimana perilaku berperilaku di inti ekstrim bintang neutron, tetapi mereka cukup mengerti untuk mengetahui bahwa itu sangat aneh.
Daniel Watts, seorang ahli fisika partikel di University of Edinburgh, mengatakan kepada audiensi yang terpisah di konferensi APS bahwa interior bintang neutron pada dasarnya adalah tanda tanya besar.
Para ilmuwan memiliki beberapa pengukuran massa bintang neutron yang luar biasa. Massa J0437-4715, misalnya, adalah sekitar 1,44 kali matahari, meskipun ukurannya kurang lebih seukuran Lower Manhattan. Itu berarti, kata Morsink, bahwa J0437-4715 jauh lebih padat daripada inti atom - sejauh ini merupakan objek terpadat yang ditemui para ilmuwan di Bumi, di mana sebagian besar materi atom berkumpul hanya di titik kecil di pusatnya.
Pada tingkat kepadatan seperti itu, Watts menjelaskan, sama sekali tidak jelas bagaimana berperilaku. Quark, partikel kecil yang membentuk neutron dan proton, yang membentuk atom, tidak dapat hidup dengan bebas sendiri. Tetapi ketika materi mencapai kepadatan ekstrim, quark dapat terus mengikat ke dalam partikel yang mirip dengan yang ada di Bumi, atau membentuk partikel yang lebih besar, lebih kompleks, atau mungkin bubur bersama-sama sepenuhnya menjadi sup partikel yang lebih umum.
Apa yang diketahui para ilmuwan, kata Watts kepada Live Science, adalah bahwa perincian tentang bagaimana materi berperilaku pada kepadatan ekstrem akan menentukan seberapa besar bintang neutron sebenarnya. Jadi jika para ilmuwan dapat menemukan pengukuran yang tepat dari bintang-bintang neutron, mereka dapat mempersempit kisaran kemungkinan bagaimana materi berperilaku di bawah kondisi ekstrem tersebut.
Dan menjawab pertanyaan itu, kata Watts, dapat membuka jawaban untuk semua jenis misteri fisika-partikel yang tidak ada hubungannya dengan bintang-bintang neutron. Sebagai contoh, katanya, itu bisa membantu menjawab bagaimana neutron individu mengatur diri mereka sendiri di dalam inti atom yang sangat berat.
Pengukuran NICER membutuhkan waktu
Sebagian besar bintang neutron, kata Morsink, diyakini memiliki lebar antara 12 dan 17 mil (20 dan 28 kilometer), meskipun mereka mungkin sekecil 10 mil (16 km). Itu rentang yang sangat sempit dalam hal astronomi tetapi tidak cukup tepat untuk menjawab jenis pertanyaan yang diminati Morsink dan rekan-rekannya.
Untuk mendapatkan jawaban yang lebih tepat, Morsink dan koleganya mempelajari sinar-X yang berasal dari "hotspot" berputar cepat pada bintang-bintang neutron.
Meskipun bintang-bintang neutron adalah bola yang sangat kompak, medan magnetnya menyebabkan energi yang keluar dari permukaannya tidak merata. Bercak-bercak cerah terbentuk dan jamur di permukaannya, berputar-putar ketika bintang-bintang berputar beberapa kali per detik.
Di situlah NICER masuk. NICER adalah teleskop berputar besar yang dipasang pada ISS yang dapat menentukan waktu cahaya yang datang dari tambalan-tambalan itu dengan keteraturan yang luar biasa.
Itu memungkinkan Morsink dan koleganya mempelajari dua hal, yang keduanya dapat membantu mereka mengetahui radius bintang neutron:
1. Kecepatan rotasi: Ketika bintang neutron berputar, kata Morsink, titik terang di permukaannya mengedip ke arah dan menjauh dari Bumi hampir seperti berkas cahaya dari lingkaran mercusuar. Morsink dan rekan-rekannya dapat dengan hati-hati mempelajari data NICER untuk menentukan dengan tepat berapa kali bintang itu mengedipkan setiap momen dan seberapa cepat titik terang bergerak melalui ruang. Dan kecepatan gerak titik terang adalah fungsi dari laju rotasi bintang dan jari-jarinya. Jika peneliti dapat mengetahui rotasi dan kecepatan, jari-jari relatif mudah untuk ditentukan.
2. bending cahaya: Bintang-bintang neutron sangat padat sehingga NICER dapat mendeteksi foton-foton dari titik terang bintang yang ditembakkan ke ruang angkasa sementara tempat itu diarahkan menjauh dari Bumi. Gravitasi bintang neutron dapat membengkokkan cahaya dengan sangat tajam sehingga fotonnya berbalik ke arah dan menampar sensor NICER. Tingkat kelengkungan cahaya juga merupakan fungsi jari-jari bintang dan massanya. Jadi, dengan hati-hati mempelajari seberapa banyak bintang dengan massa kurva cahaya diketahui, Morsink dan rekan-rekannya dapat mengetahui jari-jari bintang.
Dan para peneliti hampir mengumumkan hasil mereka, kata Morsink. (Beberapa fisikawan pada pembicaraan APS-nya mengungkapkan sedikit kekecewaan bahwa dia belum mengumumkan nomor tertentu, dan kegembiraan bahwa itu akan datang.)
Morsink mengatakan kepada Live Science bahwa dia tidak berusaha menggoda pengumuman yang akan datang. NICER belum mengumpulkan foton yang cukup untuk tim untuk memberikan jawaban yang baik.
"Ini seperti mengambil kue dari oven terlalu dini: Kamu hanya berakhir berantakan," katanya.
Tapi foton tiba, satu per satu, selama bulan-bulan studi berkala NICER. Dan jawaban semakin dekat. Saat ini, tim sedang melihat data dari J0437-4715 dan bintang neutron terdekat Bumi berikutnya, yang berjarak sekitar dua kali lebih jauh.
Morsink mengatakan dia tidak yakin jari-jari bintang neutron mana yang dia dan rekan-rekannya akan publikasikan pertama kali, tetapi dia menambahkan bahwa kedua pengumuman akan datang dalam beberapa bulan.
"Tujuannya agar hal ini terjadi kemudian pada musim panas ini, di mana 'musim panas' digunakan dalam arti yang cukup luas," katanya. "Tetapi saya akan mengatakan bahwa pada bulan September, kita harus memiliki sesuatu."
