Bijna 50 jaar nadat de Britse astrofysicus Jocelyn Bell het bestaan ​​ontdekte van snel ronddraaiende neutronensterren, NASA zal 's werelds eerste missie lanceren die gewijd is aan het bestuderen van deze ongewone objecten.

Het bureau zal hetzelfde platform ook gebruiken om 's werelds eerste demonstratie van röntgennavigatie in de ruimte uit te voeren.

Het bureau is van plan om de twee-in-een Neutron Star Interior Composition Explorer te lanceren, of LEUK, aan boord van SpaceX CRS-11, een vrachtbevoorradingsmissie naar het internationale ruimtestation ISS om te worden gelanceerd aan boord van een Falcon 9-raket.

Ongeveer een week na de installatie als een externe bijgevoegde lading, dit unieke onderzoek zal beginnen met het observeren van neutronensterren, de dichtste objecten in het universum. De missie zal zich vooral richten op pulsars - die neutronensterren die aan en uit lijken te knipogen omdat hun spin stralingsbundels langs ons heen veegt, als een kosmische vuurtoren.

"De timing van deze lancering is geschikt, " zei Keith Gendreau, een wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, die de ontwikkeling van de missie leidde, waarbij ook het Massachusetts Institute of Technology betrokken was, het marine onderzoekslaboratorium, en universiteiten in de VS en in Canada. Hoewel het team afgelopen zomer de lading ter grootte van een koelkast, uitgerust met 56 röntgentelescopen en siliciumdetectoren, eerder dan gepland had voltooid en afgeleverd, een lanceringsmogelijkheid kwam pas in 2017 beschikbaar.

Kort na de 50ste verjaardag van de ontdekking van Bell op 25 juli, het NICER-team had genoeg gegevens moeten verzamelen "om een ​​beetje op te vallen, " voegde NICER plaatsvervangend hoofdonderzoeker Zaven Arzoumanian toe, verwijzend naar wetenschappelijke conferenties van dit jaar, waaronder een viering van Bell's detectie van regelmatig pulserende signalen die later werden geïdentificeerd als roterende neutronensterren.

Fysieke uitersten

Vanwege hun extreme karakter, neutronensterren en pulsars hebben veel belangstelling gewekt sinds hun bestaan ​​theoretisch werd voorgesteld in 1939 en vervolgens werd ontdekt in 1967.

Deze objecten zijn de overblijfselen van massieve sterren die, nadat ze hun nucleaire brandstof hebben uitgeput, explodeerde en stortte in superdichte bollen ter grootte van New York City. Hun intense zwaartekracht verplettert een verbazingwekkende hoeveelheid materie - vaak meer dan 1,4 keer de inhoud van de zon of minstens 460, 000 aardes - in deze bollen ter grootte van een stad, stabiel maken, maar toch ongelooflijk dichte materie die nergens anders in het universum wordt gezien. Slechts één theelepel neutronenstermaterie zou op aarde een miljard ton wegen.

"De aard van materie onder deze omstandigheden is een decennia oud onopgelost probleem, "Zei Gendreau. "De theorie heeft een groot aantal modellen ontwikkeld om de fysica te beschrijven die het interieur van neutronensterren beheerst. Met NICER, we kunnen deze theorieën eindelijk testen met nauwkeurige observaties."

Hoewel neutronensterren straling over het spectrum uitzenden, het observeren ervan in de energetische röntgenband biedt de beste inzichten in hun structuur en de hoogenergetische fenomenen die ze huisvesten, inclusief sterbevingen, thermonucleaire explosies, en de krachtigste magnetische velden die in de kosmos bekend zijn.

Tijdens zijn 18 maanden durende missie, NICER zal röntgenstraling verzamelen die wordt gegenereerd door de enorm sterke magnetische velden van de sterren en door hotspots aan hun twee magnetische polen. Op deze locaties is de intense magnetische velden van de objecten komen uit hun oppervlak en deeltjes die in deze velden zijn gevangen, regenen neer en genereren röntgenstralen wanneer ze de oppervlakken van de sterren raken.

In pulsars, deze stromende deeltjes zenden krachtige stralingsbundels uit in de buurt van de magnetische polen. Op aarde - zoals Bell ontdekte - worden deze stralingsbundels waargenomen als stralingsflitsen die variëren van seconden tot milliseconden, afhankelijk van hoe snel de pulsar draait.

Röntgennavigatie demonstreren

Omdat deze pulsaties voorspelbaar zijn, ze kunnen worden gebruikt als hemelklokken, het verstrekken van zeer nauwkeurige timing, zoals de atoomkloksignalen geleverd door het Global Positioning System, ook wel GPS genoemd. Hoewel alomtegenwoordig op aarde, GPS-signalen verzwakken naarmate men verder buiten de baan om de aarde komt. pulsars, echter, zijn vrijwel overal in de ruimte toegankelijk, waardoor ze een waardevolle navigatieoplossing zijn voor verkenning van de diepe ruimte.

Met dezelfde NICER-hardware, de missie is ook van plan om de levensvatbaarheid van autonome röntgen- of pulsar-gebaseerde navigatie aan te tonen, wat nog nooit eerder is aangetoond.

In een experiment genaamd de Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, of SEXTANT, het team zal de telescopen van NICER gebruiken om röntgenlicht te detecteren dat wordt uitgezonden in de zwaaiende stralingsbundels van de pulsars om de aankomsttijden van de pulsen te schatten. Met deze metingen het team zal speciaal ontwikkelde algoritmen gebruiken om een ​​navigatieoplossing aan boord samen te voegen.

Als een interplanetaire missie was uitgerust met een dergelijk navigatieapparaat, het zou zijn locatie autonoom kunnen berekenen, grotendeels onafhankelijk van NASA's Deep Space Network, dat wordt beschouwd als het meest gevoelige telecommunicatiesysteem ter wereld.

"Ons primaire doel is wetenschap, "Zei Gendreau. "Maar we kunnen dezelfde pulsar-metingen gebruiken om röntgennavigatie te demonstreren. Het is zeldzaam dat wij wetenschappers een multifunctioneel experiment als dit kunnen ontwikkelen. Het komt allemaal samen."

Röntgencommunicatie mogelijk

Echter, Röntgennavigatie met behulp van NICER's pulsar-timinggegevens is niet de enige technologie die het team wil demonstreren. In een andere potentiële eerste, het team wil op röntgen gebaseerde communicatie demonstreren, of XCOM - een mogelijkheid die uiteindelijk ruimtereizigers, inclusief ruimtevaartuig, om gigabits aan gegevens per seconde over interplanetaire afstanden te verzenden.

Centraal in deze potentiële demonstratie staat Goddard's Modulated X-ray Source, of MXS, die het NICER-team heeft ontwikkeld om de detectoren van de lading te kalibreren en de algoritmen te helpen testen die nodig zijn om röntgennavigatie te demonstreren. Dit apparaat genereert röntgenstralen met een snel variërende intensiteit, vele malen per seconde in- en uitschakelen om te simuleren, bijvoorbeeld, pulsaties van een doelneutronenster.

Om XCOM te tonen, het team zou een voor de ruimte gekwalificeerde MXS naar het internationale ruimtestation vliegen en deze inzetten op een externe experimentpallet op ongeveer 50 meter afstand van NICER. Tijdens het experiment, het team codeerde digitale gegevens in gepulseerde röntgenstralen met behulp van de MXS en verzendde de gegevens naar de ontvangers van NICER.

"We hebben de meeste hardware voltooid, " zeiden SEXTANT en XCOM-projectmanager Jason Mitchell. "We hebben nog een paar middelen nodig om de klus te klaren."

Als het team erin slaagt om volgend jaar MXS te vliegen, "de resulterende demonstratie kan baanbrekend zijn, " voegde Mitchell toe. Naast de veelbelovende datatransmissiesnelheden van gigabit per seconde over grote afstanden, Röntgencommunicatie zou communicatie met hypersonische voertuigen en ruimtevaartuigen mogelijk maken.

"Dit is een zeer interessant experiment dat we doen op het ruimtestation, "Zei Gendreau. "We hebben veel geweldige steun gehad van de mensen op het gebied van wetenschap en ruimtetechnologie op het NASA-hoofdkwartier. Ze hebben ons geholpen de technologieën vooruit te helpen die NICER mogelijk maken, evenals de technologieën die NICER zal demonstreren. De missie baant zich een weg op verschillende niveaus."