Quasi 50 anni dopo che l'astrofisico britannico Jocelyn Bell scoprì l'esistenza di stelle di neutroni in rapida rotazione, La NASA lancerà la prima missione al mondo dedicata allo studio di questi oggetti insoliti.

L'agenzia utilizzerà inoltre la stessa piattaforma per effettuare la prima dimostrazione al mondo di navigazione a raggi X nello spazio.

L'agenzia prevede di lanciare il due in uno Neutron Star Interior Composition Explorer, o PI PIACEVOLE, a bordo di SpaceX CRS-11, una missione di rifornimento merci alla Stazione Spaziale Internazionale da lanciare a bordo di un razzo Falcon 9.

Circa una settimana dopo la sua installazione come payload esterno collegato, questa indagine unica nel suo genere inizierà osservando le stelle di neutroni, gli oggetti più densi dell'universo. La missione si concentrerà in particolare sulle pulsar, quelle stelle di neutroni che sembrano accendersi e spegnersi perché la loro rotazione spazza via i raggi di radiazioni davanti a noi, come un faro cosmico.

"La tempistica di questo lancio è a proposito, "ha detto Keith Gendreau, uno scienziato del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, che ha guidato lo sviluppo della missione coinvolgendo anche il Massachusetts Institute of Technology, il Laboratorio di Ricerca Navale, e università negli Stati Uniti e in Canada. Sebbene il team avesse completato e consegnato il carico utile delle dimensioni di un frigorifero dotato di 56 telescopi a raggi X e rivelatori al silicio prima del previsto la scorsa estate, un'opportunità di lancio non si è resa disponibile fino al 2017.

Subito dopo il 50° anniversario della scoperta di Bell il 25 luglio, il team NICER avrebbe dovuto raccogliere dati sufficienti "per fare un po' di rumore, " ha aggiunto il vice investigatore principale NICER Zaven Arzoumanian, riferendosi ai convegni scientifici di quest'anno, incluso uno che celebra il rilevamento da parte di Bell di segnali regolarmente pulsanti che in seguito furono identificati come stelle di neutroni rotanti.

Estremi fisici

A causa della loro natura estrema, le stelle di neutroni e le pulsar hanno suscitato un grande interesse da quando la loro esistenza è stata proposta teoricamente nel 1939 e poi scoperta nel 1967.

Questi oggetti sono i resti di stelle massicce che, dopo aver esaurito il loro combustibile nucleare, esplose e collassò in sfere super dense delle dimensioni di New York City. La loro intensa gravità schiaccia una quantità sorprendente di materia, spesso più di 1,4 volte il contenuto del sole o almeno 460, 000 Terre - in queste sfere delle dimensioni di una città, creando stabile, eppure materia incredibilmente densa che non si vede da nessun'altra parte nell'universo. Solo un cucchiaino da tè di materia di stelle di neutroni peserebbe un miliardo di tonnellate sulla Terra.

"La natura della materia in queste condizioni è un problema irrisolto vecchio di decenni, " Ha detto Gendreau. "La teoria ha avanzato una serie di modelli per descrivere la fisica che governa l'interno delle stelle di neutroni. Con PIACEVOLE, possiamo finalmente testare queste teorie con osservazioni precise".

Sebbene le stelle di neutroni emettano radiazioni in tutto lo spettro, osservarli nella banda a raggi X energetica offre le più grandi intuizioni sulla loro struttura e sui fenomeni ad alta energia che ospitano, compresi i terremoti, esplosioni termonucleari, e i più potenti campi magnetici conosciuti nel cosmo.

Durante la sua missione di 18 mesi, NICER raccoglierà i raggi X generati dai campi magnetici tremendamente forti delle stelle e dai punti caldi situati ai loro due poli magnetici. In queste località, gli intensi campi magnetici degli oggetti emergono dalle loro superfici e le particelle intrappolate all'interno di questi campi piovono e generano raggi X quando colpiscono le superfici delle stelle.

Nelle pulsar, queste particelle fluenti emettono potenti fasci di radiazioni dalla vicinanza dei poli magnetici. Sulla Terra, come ha scoperto Bell, questi fasci di radiazioni vengono osservati come lampi di radiazioni che vanno da secondi a millisecondi a seconda della velocità di rotazione della pulsar.

Per dimostrare la navigazione a raggi X

Poiché queste pulsazioni sono prevedibili, possono essere usati come orologi celesti, fornendo tempi di alta precisione, come i segnali dell'orologio atomico forniti attraverso il Global Positioning System, noto anche come GPS. Sebbene onnipresente sulla Terra, I segnali GPS si indeboliscono man mano che si viaggia oltre l'orbita terrestre. pulsar, però, sono accessibili praticamente ovunque nello spazio, rendendoli una preziosa soluzione di navigazione per l'esplorazione dello spazio profondo.

Utilizzando lo stesso hardware PI PIACEVOLE, la missione prevede inoltre di dimostrare la fattibilità della navigazione autonoma a raggi X o basata su pulsar, cosa mai dimostrata prima.

In un esperimento chiamato Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, o SESTANTE, il team utilizzerà i telescopi di NICER per rilevare la luce dei raggi X emessa all'interno dei fasci di radiazione ampi delle pulsar per stimare i tempi di arrivo degli impulsi. Con queste misurazioni, il team utilizzerà algoritmi appositamente sviluppati per unire una soluzione di navigazione a bordo.

Se una missione interplanetaria fosse dotata di un simile dispositivo di navigazione, sarebbe in grado di calcolare autonomamente la sua posizione, largamente indipendente dal Deep Space Network della NASA, che è considerato il sistema di telecomunicazioni più sensibile al mondo.

"Il nostro obiettivo primario è la scienza, " ha detto Gendreau. "Ma possiamo usare le stesse misurazioni della pulsar per dimostrare la navigazione a raggi X. È raro che noi scienziati riusciamo a sviluppare un esperimento multiuso come questo. Sta venendo tutto insieme".

Possibile comunicazione a raggi X

Però, La navigazione a raggi X che utilizza i dati di temporizzazione delle pulsar di NICER non è l'unica tecnologia che il team vorrebbe dimostrare. In un altro potenziale prima, il team vuole dimostrare le comunicazioni basate sui raggi X, o XCOM, una capacità che potrebbe eventualmente consentire ai viaggiatori spaziali, compresi veicoli spaziali, trasmettere gigabit di dati al secondo su distanze interplanetarie.

Al centro di questa potenziale dimostrazione c'è la sorgente di raggi X modulata di Goddard, o MXS, che il team NICER ha sviluppato per calibrare i rilevatori del carico utile e aiutare a testare gli algoritmi necessari per dimostrare la navigazione a raggi X. Questo dispositivo genera raggi X con intensità rapidamente variabile, accendendo e spegnendo molte volte al secondo per simulare, Per esempio, le pulsazioni di una stella di neutroni bersaglio.

Per mostrare XCOM, il team farebbe volare un MXS qualificato per lo spazio verso la Stazione Spaziale Internazionale e lo dispiegherebbe su un pallet per esperimenti esterno a circa 166 piedi di distanza da NICER. Durante l'esperimento, il team codificherebbe i dati digitali in raggi X pulsati utilizzando l'MXS e trasmetterebbe i dati ai ricevitori di NICER.

"Abbiamo completato la maggior parte dell'hardware, " ha affermato Jason Mitchell, Project Manager di SEXTANT e XCOM. "Abbiamo solo bisogno di alcune risorse in più per completare il lavoro".

Se il team riuscirà a volare MXS forse l'anno prossimo, "la dimostrazione risultante potrebbe cambiare le regole del gioco, " Ha aggiunto Mitchell. Oltre a promettere velocità di trasmissione dati di gigabit al secondo su grandi distanze, Le comunicazioni a raggi X consentirebbero la comunicazione con veicoli ipersonici e veicoli spaziali.

"Questo è un esperimento molto interessante che stiamo facendo sulla stazione spaziale, " ha detto Gendreau. "Abbiamo avuto un grande supporto da parte della gente della scienza e della 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 sta tracciando strade su diversi livelli".