Gli astrofisici stanno ridisegnando l'immagine da manuale delle pulsar, il denso, resti vorticosi di stelle esplose, grazie alla stella di neutroni della NASA Interior Composition Explorer (NICER), un telescopio a raggi X a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Utilizzando i dati PI PIACEVOLI, gli scienziati hanno ottenuto le prime misurazioni precise e affidabili sia delle dimensioni che della massa di una pulsar, così come la prima mappa in assoluto dei punti caldi sulla sua superficie.

La pulsar in questione, J0030+0451 (J0030 in breve), giace in una regione isolata dello spazio 1, A 100 anni luce di distanza nella costellazione dei Pesci. Durante la misurazione del peso e delle proporzioni della pulsar, NICER ha rivelato che le forme e le posizioni dei "punti caldi" di milioni di gradi sulla superficie della pulsar sono molto più strane di quanto generalmente si pensi.

"Dal suo trespolo sulla stazione spaziale, NICER sta rivoluzionando la nostra comprensione delle pulsar, " ha detto Paul Hertz, direttore della divisione di astrofisica presso la sede della NASA a Washington. "Le pulsar sono state scoperte più di 50 anni fa come fari di stelle che sono collassate in nuclei densi, comportandosi diversamente da qualsiasi cosa vediamo sulla Terra. Con NICER possiamo sondare la natura di questi resti densi in modi che sembravano impossibili fino ad ora".

Una serie di articoli che analizzano le osservazioni di NICER su J0030 appare in un numero di focus di Le Lettere del Giornale Astrofisico ed è ora disponibile online.

Quando una stella enorme muore, si esaurisce il carburante, collassa sotto il suo stesso peso ed esplode come una supernova. Queste morti stellari possono lasciare dietro di sé stelle di neutroni, che racchiudono più massa del nostro Sole in una sfera larga all'incirca quanto l'isola di Manhattan è lunga. pulsar, che sono una classe di stelle di neutroni, ruota fino a centinaia di volte al secondo e spazza raggi di energia verso di noi ad ogni rotazione. J0030 ruota 205 volte al secondo.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di capire esattamente come funzionano le pulsar. Nel modello più semplice, una pulsar ha un potente campo magnetico a forma di barra magnetica domestica. Il campo è così forte che strappa le particelle dalla superficie della pulsar e le accelera. Alcune particelle seguono il campo magnetico e colpiscono il lato opposto, riscaldando la superficie e creando punti caldi ai poli magnetici. L'intera pulsar brilla debolmente ai raggi X, ma i punti caldi sono più luminosi. Mentre l'oggetto gira, questi punti entrano ed escono dalla vista come i raggi di un faro, producendo variazioni estremamente regolari nella luminosità dei raggi X dell'oggetto. Ma i nuovi studi NICER su J0030 mostrano che le pulsar non sono così semplici.

Utilizzando le osservazioni NICER da luglio 2017 a dicembre 2018, due gruppi di scienziati hanno mappato i punti caldi di J0030 utilizzando metodi indipendenti e hanno raggiunto risultati simili per massa e dimensioni. Una squadra guidata da Thomas Riley, uno studente di dottorato in astrofisica computazionale, e la sua supervisore Anna Watts, professore di astrofisica all'Università di Amsterdam, determinato che la pulsar è circa 1,3 volte la massa del Sole e 15,8 miglia (25,4 chilometri) di diametro. Cole Miller, un professore di astronomia all'Università del Maryland (UMD) che guidava la seconda squadra, trovato J0030 è circa 1,4 volte la massa del Sole e leggermente più grande, circa 16,2 miglia (26 chilometri) di larghezza.

"Quando abbiamo iniziato a lavorare su J0030, la nostra comprensione di come simulare le pulsar era incompleta, e lo è ancora, " Disse Riley. "Ma grazie ai dati dettagliati di NICER, strumenti open source, computer ad alte prestazioni e grande lavoro di squadra, ora abbiamo una struttura per sviluppare modelli più realistici di questi oggetti".

Una pulsar è così densa che la sua gravità si deforma vicino allo spazio-tempo - il "tessuto" dell'universo come descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein - più o meno allo stesso modo in cui una palla da bowling su un trampolino allunga la superficie. Lo spazio-tempo è così distorto che la luce dal lato della pulsar rivolto lontano da noi viene "piegata" e reindirizzata alla nostra vista. Questo fa sembrare la stella più grande di quello che è. L'effetto significa anche che i punti caldi potrebbero non scomparire mai completamente mentre ruotano verso il lato opposto della stella. NICER misura l'arrivo di ogni raggio X da una pulsar a meglio di cento nanosecondi, una precisione circa 20 volte maggiore di quella precedentemente disponibile, così gli scienziati possono sfruttare questo effetto per la prima volta.

"Le misurazioni a raggi X senza precedenti di NICER ci hanno permesso di fare i calcoli più precisi e affidabili delle dimensioni di una pulsar fino ad oggi, con un'incertezza inferiore al 10%, " ha detto Miller. "L'intero team NICER ha dato un contributo importante alla fisica fondamentale che è impossibile da sondare nei laboratori terrestri".

La nostra vista dalla Terra guarda sull'emisfero settentrionale di J0030. Quando le squadre hanno mappato le forme e le posizioni degli spot di J0030, si aspettavano di trovarne uno basato sull'immagine da manuale delle pulsar, ma non l'ho fatto. Anziché, i ricercatori hanno identificato fino a tre "punti caldi", "Tutti nell'emisfero australe.

Riley e i suoi colleghi hanno eseguito cicli di simulazioni utilizzando cerchi sovrapposti di diverse dimensioni e temperature per ricreare i segnali a raggi X. L'esecuzione della loro analisi sul supercomputer nazionale olandese Cartesius ha richiesto meno di un mese, ma avrebbe richiesto circa 10 anni su un moderno computer desktop. La loro soluzione identifica due punti caldi, uno piccolo e circolare e l'altro lungo ea forma di mezzaluna.

Il gruppo di Miller ha eseguito simulazioni simili, ma con ovali di diverse dimensioni e temperature, sul supercomputer Deepthought2 di UMD. Hanno trovato due possibili e ugualmente probabili configurazioni spot. Uno ha due ovali che si avvicinano molto allo schema trovato dalla squadra di Riley. La seconda soluzione aggiunge una terza, punto più freddo leggermente di traverso rispetto al polo di rotazione sud della pulsar.

Precedenti previsioni teoriche suggerivano che le posizioni e le forme dei punti caldi potevano variare, ma gli studi J0030 sono i primi a mappare queste caratteristiche della superficie. Gli scienziati stanno ancora cercando di determinare perché le macchie di J0030 sono disposte e modellate come sono, ma per ora è chiaro che i campi magnetici delle pulsar sono più complicati del tradizionale modello a due poli.

Il principale obiettivo scientifico di NICER è determinare con precisione le masse e le dimensioni di diverse pulsar. Con queste informazioni gli scienziati saranno finalmente in grado di decifrare lo stato della materia nei nuclei delle stelle di neutroni, materia schiacciata da pressioni e densità tremende che non possono essere replicate sulla Terra.

"È notevole, e anche molto rassicurante, che le due squadre hanno raggiunto dimensioni così simili, masse e modelli di punti caldi per J0030 utilizzando diversi approcci di modellazione, " disse Zaven Arzoumanian, La guida scientifica PIACEVOLE al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Ci dice che NICER è sulla strada giusta per aiutarci a rispondere a una domanda costante in astrofisica:che forma assume la materia nei nuclei ultra-densi delle stelle di neutroni?"

NICER è una missione di opportunità di astrofisica all'interno del programma Explorers della NASA, che fornisce frequenti opportunità di volo per indagini scientifiche di livello mondiale dallo spazio utilizzando innovative, approcci gestionali snelli ed efficienti all'interno delle aree scientifiche di eliofisica e astrofisica. La direzione della missione per la tecnologia spaziale della NASA supporta la componente SEXTANT della missione, dimostrando la navigazione di veicoli spaziali basati su pulsar.