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首个中子星探测器上天,有望利用X光脉冲实现星际时间导航

五十年前,英国女天文学家乔斯林·贝尔 (Jocelyn Bell)发现了急速旋转的中子星的存在;而今天(6月3日),NASA终于启动了世界上首个中子星探测计划!发射的探测器还将首次将X光导航仪带入太空。


该探测器名为Neutron Star Interior Composition Explorer (简称NICER)或 SpaceX CRS-11。有意思的是,它将会和国际空间站的补给物资一起,采用一箭双雕的方式搭载在SpaceX的猎鹰9号火箭上。


图丨NICER中的捕捉X光的显像镜片


中子星是宇宙中密度最大的物质,而NASA这次的主要目标是脉冲星——一种具有极高角动量,并因此而释放大功率电磁波脉冲的中子星;它们的存在仿佛宇宙中明亮的灯塔。


“这次发真实射适逢其时。”NASA的戈达德航天飞行中心的科学家和本次任务的领导人Keith Gendreau表示,因为今年的7月25日就是中子星发现的五十年纪念日。除了NASA之外,麻省理工、海军探究实验室、和美国及加拿大各大学术机构都参与了仪器的设计;即使如此,本次任务的准备工作还是从去年夏天进行到了2017年中旬。



无论是1939年的理论提出,还是1967年的实际观测,都令学术界对中子星产生了极大的兴趣。这类物体是大质量恒星聚变结后的残留物;在聚变燃料竭尽之时,恒星就会爆炸并坍缩成一个和纽约市一般大的高密度星体。这一密度到底有多大呢?想象以下大概460,000个地球塞进纽约市……


“中子星物质的性质是一个几十年的未解之谜,” Gendreau说,“关于其内部的理论和模型早已被提出,然而再NICER的帮助下,我们终于能够测试这些理论。”


图丨艺术想象画面:中央的中子星正在吸取周围的恒信物质,并在四周形成一个红色的吸积盘。


虽然中子星释放的电磁波延伸至整个光谱,但在高能X光范围内观测能带来关于其结构的新信息,包括地震、核爆、磁场脉冲等。


在脉冲星的两极,强大的磁场会吸附周围的粒子,而当大量高能粒子撞击星体表面时,X光就会以脉冲的形式释放。而脉冲的周期与星体的转动速度,也就是角动量成正比。因为这一稳定的性质,脉冲星能被当做成精确的“天文时钟”应用于各项星际任务上。


比如,目前的GPS上搭载着原子时钟以保证测量的精确性,但每当其距离较远时,GPS信号就会衰弱且变得不稳定;而脉冲星的信号却能在宇宙各处保持几乎完美的一致性,将其作为一个星际时间参照物简直完美。


图丨脉冲星的急速转动


此次NICER的核心部件之一,就将被应用于测试脉冲星X光导航的可靠性。在一项叫做Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (简称SEXTANT)的实验当中,NICER会用其望远镜来探测脉冲并估计每次辐射的到达时间。有了这些数据,研究团队就能计算出基础的星际导航模型。


另一个应用是X光交流系统 (X-ray based-communications 或 XCOM),该系统能在以光年计的星际间传递比特信息。而这一实验的的核心是戈达德航天飞行中心制造的X光源,以每几秒的间隔为周期释放X光,以模仿中子星的脉冲并用于测试X光导航所运用的演算模型。


“这是一个非常有趣的实验,我们从NASA的总部得到了许多支持,并让NICER的构想成为现实。这一任务将在不同水平上为我们的探索提供建设性意见。”


参考资料:https://phys.org/news/2017-06-nasa-first-ever-neutron-star-mission.html

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