Quando una grande stella subisce un collasso gravitazionale vicino alla fine della sua durata di vita, ne risulta spesso una stella a neutroni. Questo è ciò che rimane dopo che gli strati esterni della stella sono stati fatti esplodere in una massiccia esplosione (cioè una supernova) e il nucleo si è compresso a densità estrema. Successivamente, la velocità di rotazione della stella aumenta considerevolmente e laddove emettono raggi di radiazione elettromagnetica, diventano "pulsar".
E ora, 50 anni dopo che furono scoperti per la prima volta dall'astrofisico britannico Jocelyn Bell, sta per essere montata la prima missione dedicata allo studio di questi oggetti. È noto come Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), un esperimento in due parti che verrà distribuito alla Stazione Spaziale Internazionale quest'estate. Se tutto andrà bene, questa piattaforma farà luce su uno dei più grandi misteri astronomici e testerà nuove tecnologie.
Gli astronomi studiano le stelle di neutroni da quasi un secolo, il che ha prodotto misurazioni molto precise delle loro masse e raggi. Tuttavia, ciò che effettivamente traspare all'interno di una stella di neutroni rimane un mistero duraturo. Sebbene siano stati avanzati numerosi modelli che descrivono la fisica che governa i loro interni, non è ancora chiaro come la materia si comporterebbe in questi tipi di condizioni.
Non sorprende, dal momento che le stelle di neutroni detengono in genere circa 1,4 volte la massa del nostro Sole (o 460.000 volte la massa della Terra) in un volume di spazio delle dimensioni di una città. Questo tipo di situazione, in cui una notevole quantità di materia è racchiusa in un volume molto piccolo - con conseguente schiacciamento della gravità e un'incredibile densità della materia - non è vista in nessun altro posto nell'Universo.
Come ha spiegato Keith Gendreau, uno scienziato del Goddard Space Flight Center della NASA, in una recente dichiarazione della NASA:
“La natura della materia in queste condizioni è un problema irrisolto vecchio di decenni. La teoria ha avanzato una serie di modelli per descrivere la fisica che governa gli interni delle stelle di neutroni. Con NICER, possiamo finalmente testare queste teorie con osservazioni precise. ”
NICE è stato sviluppato dal Goddard Space Flight Center della NASA con l'assistenza del Massachusetts Institute of Technology (MIT), del Naval Research Laboratory e delle università negli Stati Uniti e in Canada. È costituito da un'apparecchiatura di dimensioni di un frigorifero che contiene 56 telescopi a raggi X e rilevatori di silicio. Sebbene fosse originariamente previsto per essere distribuito alla fine del 2016, una finestra di lancio non è stata disponibile fino a quest'anno.
Una volta installato come payload esterno a bordo della ISS, raccoglierà dati sulle stelle di neutroni (principalmente pulsar) per un periodo di 18 mesi osservando le stelle di neutroni nella banda dei raggi X. Anche se queste stelle emettono radiazioni attraverso lo spettro, si ritiene che le osservazioni a raggi X siano le più promettenti quando si tratta di rivelare cose sulla loro struttura e vari fenomeni ad alta energia ad esse associati.
Questi includono i terremoti, le esplosioni termonucleari e i più potenti campi magnetici conosciuti nell'Universo. Per fare ciò, NICER raccoglierà i raggi X generati dai campi magnetici e dai poli magnetici di queste stelle. Questo è fondamentale, poiché è ai poli che la forza dei campi magnetici di una stella di neutroni provoca l'intrappolamento delle particelle e la pioggia sulla superficie, che produce raggi X.
Nelle pulsar, sono questi intensi campi magnetici che causano particelle energetiche che diventano raggi focalizzati di radiazione. Questi raggi sono ciò che dà il nome alle pulsar, in quanto appaiono come lampi grazie alla rotazione della stella (dando loro l'aspetto di un "faro"). Come hanno osservato i fisici, queste pulsazioni sono prevedibili e possono quindi essere utilizzate allo stesso modo in cui gli orologi atomici e il sistema di posizionamento globale sono qui sulla Terra.
Mentre l'obiettivo principale di NICER è la scienza, offre anche la possibilità di testare nuove forme di tecnologia. Ad esempio, lo strumento verrà utilizzato per condurre la prima dimostrazione di navigazione autonoma basata su pulsar a raggi X. Come parte di Station Explorer per la tecnologia di sincronizzazione e navigazione a raggi X (SEXTANT), il team utilizzerà i telescopi di NICER per rilevare i raggi X generati dalle pulsar per stimare i tempi di arrivo dei loro impulsi.
Il team utilizzerà quindi algoritmi appositamente progettati per creare una soluzione di navigazione integrata. In futuro, le astronavi interstellari potrebbero teoricamente fare affidamento su questo per calcolare la loro posizione autonomamente. Ciò consentirà loro di orientarsi nello spazio senza dover fare affidamento sulla Deep Space Network (DSN) della NASA, considerata il sistema di telecomunicazioni più sensibile al mondo.
Oltre alla navigazione, il progetto NICER spera anche di condurre il primo test in assoluto sulla fattibilità delle comunicazioni basate sui raggi X (XCOM). Usando i raggi X per inviare e ricevere dati (allo stesso modo in cui attualmente utilizziamo le onde radio), i veicoli spaziali potrebbero trasmettere dati alla velocità di gigabit al secondo su distanze interplanetarie. Tale capacità potrebbe rivoluzionare il modo in cui comunichiamo con missioni con equipaggio, rover e orbiter.
Al centro di entrambe le dimostrazioni è la Modular X-ray Source (MXS), che il team NICER ha sviluppato per calibrare i rilevatori del payload e testare gli algoritmi di navigazione. Generando raggi X con intensità che varia rapidamente (accendendo e spegnendo molte volte al secondo), questo dispositivo simulerà le pulsazioni di una stella di neutroni. Come ha spiegato Gendreau:
"Questo è un esperimento molto interessante che stiamo facendo sulla stazione spaziale. Abbiamo ricevuto un grande supporto da parte della gente di scienza e tecnologia spaziale presso la sede della NASA. Ci hanno aiutato a far progredire le tecnologie che rendono possibile NICER e quelle che NICER dimostrerà. La missione è tracciare percorsi su diversi livelli. "
Si spera che l'MXS sia pronto per essere spedito alla stazione entro l'anno prossimo; a quel punto, potrebbero iniziare le dimostrazioni di navigazione e comunicazione. E si prevede che prima del 25 luglio, che segnerà il 50 ° anniversario della scoperta di Bell, il team avrà raccolto dati sufficienti per presentare i risultati delle conferenze scientifiche programmate per la fine dell'anno.
Se avrà successo, NICER potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione di come si comportano le stelle di neutroni (e come la materia si comporta in uno stato super-denso). Questa conoscenza potrebbe anche aiutarci a comprendere altri misteri cosmologici come i buchi neri. Inoltre, le comunicazioni a raggi X e la navigazione potrebbero rivoluzionare l'esplorazione dello spazio e viaggiare come la conosciamo. Oltre a fornire maggiori ritorni dalle missioni robotizzate situate vicino a casa, potrebbe anche consentire missioni più redditizie in posizioni nel Sistema Solare esterno e anche oltre.
