2017.07.14. - Kozmikus navigáció a neutroncsillagokkal?

A NASA új, a Nemzetközi Űrállomásra telepített röntgentávcsöve minden eddiginél pontosabb adatokat szolgáltat majd a neutroncsillagokról, ami a jövőben a világűrbe küldött eszközök navigációját is segítheti.

A neutroncsillagok nagy tömegű csillagok halálakor visszamaradó, szupersűrű objektumok. Átmérőjük mindössze 20-25 kilométer, ebbe a kisebb aszteroidának megfelelő méretbe zsúfolódik bele mintegy 1-3 naptömegnyi anyag. Ezen égitestek elképzelhetetlenül nagy sűrűsége csak úgy állhat elő, hogy szinte teljes egészében neutronokból épülnek fel, s további összeomlásukat kvantummechanikai hatásokból eredő belső nyomásuk akadályozza meg.

Az impulzusmomentum-megmaradás és a csillagmag sugarának nagymértékű csökkenése miatt a frissen kialakult neutroncsillag forgási sebessége akár egymilliószorosa is lehet a szülőcsillag eredeti szögsebességének (így jöhet létre egy másodperc körüli, vagy akár annál is rövidebb forgási periódus) – vagyis kozmikus és erősen felskálázott megfelelői a behúzott karokkal gyorsabban forgó műkorcsolyázóknak. A neutroncsillagok másik nagyon fontos tulajdonsága, hogy rendkívül erős mágneses térrel rendelkeznek (ennek oka, hogy a mágneses fluxus értéke az áramló plazmában állandó marad, ami a nagy mértékű méretcsökkenéssel együtt a neutroncsillag mágneses térerősségének a magösszeomlást megelőző állapothoz képest körülbelül hat nagyságrenddel való növekedéséhez vezet).

Illusztráció a klasszikus pulzárjelenséget mutató neutroncsillagok működéséről.
[Szalai Tamás]

Az erős mágneses tér következtében a szabad protonok és elektronok gyorsuló mozgást végeznek, és ezáltal egy kis térszögben (nyalábban) sugárzást bocsátanak ki a neutroncsillag mágneses pólusai mentén. Amennyiben a maradványobjektum forgástengelye és mágneses tengelye nem esik egybe, akkor a sugárnyaláb egy adott megfigyelő számára minden rotáció során csak egyszer válik megfigyelhetővé. Az ilyen jellegű, periodikus, tipikusan a rádiótartományban – de esetenként a látható, a röntgen- vagy akár a gamma-tartományban – észlelhető felvillanásokat mutató források alkotják a klasszikus pulzárok csoportját. A leggyorsabban forgó, ún. milliszekundumos pulzárok viszont elsősorban nem rádió-, hanem röntgensugárzást bocsátanak ki, és energiájukat sem az impulzusmomentum-megmaradásból, hanem tömegbefogási (akkréciós) folyamatokon keresztül nyerik. Ezek a röntgenforrások minden jel szerint olyan idős, a forgási energiájuk legnagyobb részét felélő klasszikus pulzárokból alakultak ki, amelyek kettős rendszerek tagjai. Ebben az esetben ugyanis a társcsillagból eredő tömegátadás és az akkréció során felszabaduló gravitációs potenciális energia alakul át sugárzássá.

Az 56 egyedi "röntgentükröt" tartalmazó NICER röntgentávcső még az összeszerelés fázisában.
[NASA]

Ezek a röntgenben erősen sugárzó, másodpercenként akár több száz fordulatot is megtevő neutroncsillagok jelentik a NASA új röntgentávcsövének, a NICER-nek (Neutron Star Interior Composition Explorer) az elsődleges célpontjait. Az 56 darab speciális "röntgentükörből" álló eszközt június elején juttatták fel az űrbe a SpaceX vállalkozás egyik Falcon 9-es rakétája segítségével, a Nemzetközi Űrállomásra küldött rakomány részeként. A NICER ugyanis rendhagyó módon az ISS fedélzetére szerelve fog működni július közepétől, az előzetes tervek szerint legalább másfél évig. A NASA kutatóinak elsődleges célkitűzése, hogy a műszerrel minél pontosabb fényváltozásokat rögzítsenek a neutroncsillagokról, ezáltal minden eddiginél kisebb bizonytalansággal sikerüljön meghatározni az egzotikus objektumok tömegeit és átmérőit.

A NICER teleszkóp működés közben, immár az ISS fedélzetén (illusztráció).
[NASA]

A neutroncsillagok tulajdonságainak alaposabb megértésén és a kapcsolódó, extrém körülmények között lejátszódó fizikai folyamatok tanulmányozásán túl a projekt egy különösen érdekes alkalmazási lehetőséget is kínál, méghozzá a kozmikus pozíciómeghatározás terén. A jelenlegi globális helyzetmeghatározó rendszereink viszonyítási pontként a Földet használják, aminek több hátránya is van: az egyik, hogy mivel a Földön lévő rendszerórák és a műholdak órái eltérő sebességgel mozognak, ezért az általuk mért idők nem egészen egyformán telnek (az ún. idődilatáció jelensége miatt), így külön korrekciós számolásokra van szükség minden egyes keringési periódusban. A másik nagy hátrány, hogy mivel ezek a helyzetmeghatározó rendszerek csak a Föld felszínén működnek kellő pontossággal, attól eltávolodva egyre nehézkesebbé válik a pozíciómérés, így a Naprendszer felderítése során nem használhatjuk majd ezeket a módszereket. Éppen ezért már most dolgoznak többféle relativisztikus helymeghatározási megoldáson, melyek közös alapja, hogy különböző, távoli források rádió- vagy vagy egyéb jeleit használják referenciaként. Az ISS-en hamarosan működésbe álló NICER távcső adatait egy speciális navigációs szoftver segítségével már ennek az elképzelésnek a tesztelésére is felhasználják majd.

Forrás:

• csillagaszat.hu 2017.07.05.