Astrofysici hertekenen het leerboekbeeld van pulsars, de dichte, wervelende overblijfselen van ontplofte sterren, dankzij NASA's Neutronenster Interior Composition Explorer (NICER), een röntgentelescoop aan boord van het internationale ruimtestation. Met behulp van NICER-gegevens, wetenschappers hebben de eerste nauwkeurige en betrouwbare metingen van zowel de grootte als de massa van een pulsar verkregen, evenals de allereerste kaart van hotspots op het oppervlak.

De pulsar in kwestie, J0030+0451 (kortweg J0030), ligt in een geïsoleerd gebied van ruimte 1, 100 lichtjaar verwijderd in het sterrenbeeld Vissen. Tijdens het meten van het gewicht en de verhoudingen van de pulsar, NICER onthulde dat de vormen en locaties van 'hot spots' van miljoenen graden op het oppervlak van de pulsar veel vreemder zijn dan algemeen wordt aangenomen.

"Vanaf zijn plek op het ruimtestation, NICER zorgt voor een revolutie in ons begrip van pulsars, " zei Paul Hertz, afdelingsdirecteur astrofysica op het NASA-hoofdkwartier in Washington. "Pulsars werden meer dan 50 jaar geleden ontdekt als bakens van sterren die zijn ingestort tot dichte kernen, zich anders gedragen dan alles wat we op aarde zien. Met NICER kunnen we de aard van deze dichte overblijfselen onderzoeken op manieren die tot nu toe onmogelijk leken."

Een reeks artikelen waarin NICER's observaties van J0030 worden geanalyseerd, verschijnt in een focusnummer van: De astrofysische journaalbrieven en staat nu online.

Wanneer een massieve ster sterft, de brandstof raakt op, bezwijkt onder zijn eigen gewicht en explodeert als een supernova. Deze sterfgevallen kunnen neutronensterren achterlaten, die meer massa dan onze zon inpakken in een bol die ongeveer zo breed is als het eiland Manhattan lang is. pulsars, die een klasse van neutronensterren zijn, draaien tot honderden keren per seconde en zwaaien energiestralen naar ons toe bij elke rotatie. J0030 draait 205 keer per seconde.

Al decenia, wetenschappers hebben geprobeerd erachter te komen hoe pulsars precies werken. In het eenvoudigste model een pulsar heeft een krachtig magnetisch veld in de vorm van een huishoudstaafmagneet. Het veld is zo sterk dat het deeltjes van het oppervlak van de pulsar scheurt en versnelt. Sommige deeltjes volgen het magnetische veld en treffen de andere kant, verwarming van het oppervlak en het creëren van hotspots op de magnetische polen. De hele pulsar gloeit zwak in röntgenstralen, maar de hotspots zijn helderder. Terwijl het object draait, deze plekken zwaaien in en uit het zicht als de balken van een vuurtoren, het produceren van extreem regelmatige variaties in de röntgenhelderheid van het object. Maar de nieuwe NICER-studies van J0030 laten zien dat pulsars niet zo eenvoudig zijn.

Met behulp van NICER-waarnemingen van juli 2017 tot december 2018, twee groepen wetenschappers brachten de hotspots van J0030 in kaart met behulp van onafhankelijke methoden en kwamen tot vergelijkbare resultaten voor zijn massa en grootte. Een team onder leiding van Thomas Riley, een doctoraatsstudent in computationele astrofysica, en zijn begeleider Anna Watts, hoogleraar astrofysica aan de Universiteit van Amsterdam, bepaalde dat de pulsar ongeveer 1,3 keer de massa van de zon is en 25,4 kilometer breed is. Cole Miller, een astronomieprofessor aan de Universiteit van Maryland (UMD) die het tweede team leidde, gevonden dat J0030 ongeveer 1,4 keer de massa van de zon is en iets groter, ongeveer 16,2 mijl (26 kilometer) breed.

"Toen we voor het eerst aan J0030 begonnen te werken, ons begrip van het simuleren van pulsars was onvolledig, en dat is het nog steeds, " zei Riley. "Maar dankzij de gedetailleerde gegevens van NICER, open source-tools, krachtige computers en geweldig teamwerk, we hebben nu een raamwerk voor het ontwikkelen van meer realistische modellen van deze objecten."

Een pulsar is zo dicht dat zijn zwaartekracht de nabije ruimte-tijd vervormt - het 'weefsel' van het universum zoals beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie - op vrijwel dezelfde manier als een bowlingbal op een trampoline het oppervlak uitrekt. Ruimte-tijd is zo vervormd dat licht van de kant van de pulsar die van ons af is gericht, wordt "gebogen" en naar ons zicht wordt geleid. Hierdoor lijkt de ster groter dan hij is. Het effect betekent ook dat de hotspots misschien nooit helemaal verdwijnen als ze naar de andere kant van de ster draaien. NICER meet de aankomst van elke röntgenfoto van een pulsar tot beter dan honderd nanoseconden, een nauwkeurigheid die ongeveer 20 keer groter is dan voorheen beschikbaar was, zodat wetenschappers voor het eerst van dit effect kunnen profiteren.

"Dankzij de ongeëvenaarde röntgenmetingen van NICER konden we de meest nauwkeurige en betrouwbare berekeningen maken van de grootte van een pulsar tot nu toe, met een onzekerheid van minder dan 10%, " zei Miller. "Het hele NICER-team heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de fundamentele fysica die onmogelijk te onderzoeken is in terrestrische laboratoria."

Ons uitzicht vanaf de aarde kijkt op het noordelijk halfrond van J0030. Toen de teams de vormen en locaties van de plekken van J0030 in kaart brachten, ze verwachtten er een te vinden op basis van het leerboekbeeld van pulsars, maar deed het niet. In plaats daarvan, de onderzoekers identificeerden maximaal drie hotspots, "allemaal op het zuidelijk halfrond.

Riley en zijn collega's voerden simulaties uit met behulp van overlappende cirkels van verschillende groottes en temperaturen om de röntgensignalen na te bootsen. Het uitvoeren van hun analyse op de Nederlandse nationale supercomputer Cartesius duurde minder dan een maand, maar zou ongeveer 10 jaar hebben geduurd op een moderne desktopcomputer. Hun oplossing identificeert twee hotspots, een klein en rond en de andere lang en halvemaanvormig.

Miller's groep voerde soortgelijke simulaties uit, maar met ovalen van verschillende afmetingen en temperaturen, op de Deepthought2-supercomputer van UMD. Ze vonden twee mogelijke en even waarschijnlijke plekconfiguraties. De ene heeft twee ovalen die nauw overeenkomen met het patroon dat door het team van Riley is gevonden. De tweede oplossing voegt een derde toe, koelere plek iets scheef ten opzichte van de zuidpool van de pulsar.

Eerdere theoretische voorspellingen suggereerden dat locaties en vormen van hotspots kunnen variëren, maar de J0030-studies zijn de eerste die deze oppervlaktekenmerken in kaart brengen. Wetenschappers proberen nog steeds te achterhalen waarom de vlekken van J0030 zijn gerangschikt en gevormd zoals ze zijn, maar voor nu is het duidelijk dat pulsar magnetische velden ingewikkelder zijn dan het traditionele tweepolige model.

Het belangrijkste wetenschappelijke doel van NICER is om de massa's en afmetingen van verschillende pulsars nauwkeurig te bepalen. Met deze informatie kunnen wetenschappers eindelijk de toestand van de materie in de kernen van neutronensterren ontcijferen, materie verpletterd door enorme druk en dichtheden die niet kunnen worden gerepliceerd op aarde.

"Het is opmerkelijk, en ook heel geruststellend, dat de twee teams zulke vergelijkbare groottes bereikten, massa's en hotspotpatronen voor J0030 met behulp van verschillende modelleringsbenaderingen, " zei Zaven Arzoumanian, NICER wetenschappelijke leider bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Het vertelt ons dat NICER op de goede weg is om ons te helpen een blijvende vraag in de astrofysica te beantwoorden:welke vorm neemt materie aan in de ultradichte kernen van neutronensterren?"

NICER is een Astrophysics Mission of Opportunity binnen NASA's Explorers-programma, die frequente vluchtmogelijkheden biedt voor wetenschappelijk onderzoek van wereldklasse vanuit de ruimte met behulp van innovatieve, gestroomlijnde en efficiënte managementbenaderingen binnen de wetenschapsgebieden van de heliofysica en astrofysica. NASA's Space Technology Mission Directorate ondersteunt de SEXTANT-component van de missie, demonstratie van op pulsar gebaseerde ruimtevaartuignavigatie.