原标题:脉冲星发现50周年,NASA对它们继续开展研究(附视频)

50年前,科学数据中的一点异常导致了脉冲星的发现。脉冲星,是一种快速旋转因而朝地球发出脉冲的致密恒星遗体。

天文学家乔瑟琳•贝尔(Jocelyn Bell)使用英国剑桥的一个巨型射电望远镜(阵列)做出了这一偶然发现。尽管这个4.5英亩(18.21平方米)望远镜阵列是为了测量不同类型类星体的随机亮度闪烁而建造的,但它每隔1.33730秒就会在贝尔的数据记录纸带上留下出人意料的记录。代表射电亮度的记录笔迹揭示出了一个异常现象。

“这些脉冲如此规则,非常像一个滴答作响的钟,以至于贝尔和她的导师安东尼•休伊什(Antony Hewish)都无法相信这是一个天然现象。” 马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的Zaven Arzoumanian说:“一旦他们找到了第二个,第三个和第四个类似现象,他们就开始了不同的思考。”

这类不寻常的星体曾经被预测过,但从未被观测到。 今天,科学家们已经知道了2000多个脉冲星。 这些旋转的中子星“灯塔”曾经初生为恒星,质量在7至20倍太阳质量之间。 有些脉冲星被发现每秒旋转数百次,比家用搅拌机的叶片更快,并且拥有非常强的磁场。

多数已知的中子星以发射狭窄的、扫掠的辐射波束的脉冲星的形式被观测到 。 它们将最大两个太阳质量压缩至一个城市大小的体积内,将物质压碎至可能稳定的最高密度。 为了探索这些奇异的物质状态,NICER在中子星旋转时测量它们表面的X射线辐射,最终将直面核物理学的理论预测。

图像来源:NASA戈达德太空飞行中心

科学技术在过去半个世纪的进步使得科学家们能够从空间利用不同波长的光,特别是那些比剑桥望远镜所接收的射电波更高能的辐射来研究这些致密天体。几个当前的NASA任务在继续研究这些天然灯塔。

中子星内部组成探测器(The Neutron star Interior Composition Explorer, NICER)是NASA第一个专门研究脉冲星的任务。在贝尔的发现50周年到来之际,NICER观测了著名的第一个脉冲星,今天被称为PSR B1919 + 21。

NICER于今年6月初发射到国际空间站,于上个月开始科学工作。它的X射线观测——从这些恒星百万度的固体表面和它们的强磁场中辐射的电磁波谱的一部分,——将揭示出自然的基本力如何在这些天体的核心,即一个在其他任何地方都不存在且无法模拟的环境内表现。“脉冲星内部是什么?” 这是关于这类超级致密、快速旋转并具有强大磁场的天体的许多长期突出的天体物理学问题之一。

脉冲星的成分,其实是科学家们在地球的实验室研究中已熟悉了一个世纪以上的粒子的集合,这些粒子包括中子、,质子、,电子,甚至可能含有这些粒子自身的更小组成单位,被称为夸克。然而,在这种极端的压力和密度条件下,它们的表现和相互作用还不能被很好地理解。科学家需要新的、特别是对脉冲星大小和质量的精确测量,来约束理论。

“基于中子星能提供的现有数据和限制,许多核物理学模型已经被发展出来,用以解释中子星的构成。”戈达德NICER的项目负责人Keith Gendreau说,NICER的灵敏度、X射线能量分辨率和时间分辨率将通过更精确地测量中子星其半径来改善这一点,这样的测量精度比现有技术水平提高了一个数量级。”

NICER目前被安装在国际空间站。有效载荷的这个转台动画显示了NICER的恒星跟踪摄像机、电子设备、空间站连接部件、56个遮阳罩,指向驱动器和收起/展开驱动器的位置。

图像来源:NASA戈达德航天飞行中心

这个任务还将通过帮助开发一个类似全球定位系统(GPS)的星系范围定位系统,为未来的太空探索铺平道路。 空间站X射线授时及定位技术探测器(Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology,SEXTANT/空间站“六分仪”探测器)将利用NICER对脉冲星信号的X射线观测来确定NICER在轨道上的精确位置。

“你可以记录在宇宙飞船周围多个方向上分布的脉冲星脉冲时间来确定飞船的位置,并在任何地方为它导航。” NICER的首席科学家Arzoumanian说, “这正是地球的GPS系统利用在轨道卫星上搭载的精确时钟的工作原理。”

科学家已经使用计算机和实验室模拟测试了这种方法。 SEXTANT(空间站“六分仪”探测器)将首次在空间实现基于脉冲星的导航。

NICER-SEXTANT是在脉冲星发现五十年后,第一个专门研究脉冲星的天体物理任务。 “我认为这将会获得比现在更多的科学发现。” Gendreau说。

NICER-SEXANT是二合一的任务。NICER是NASA探索者项目(Explorer program)中的机遇天体物理学任务(Astrophysics Mission of Opportunity),这项任务通过在太阳物理学和天体物理学科学领域内采用创新、,简化和高效的管理方法,为世界级科学探索提供频繁的航天机会。NASA的空间技术任务指挥部(Space Technology Mission Directorate)支持该任务的SEXTANT部分——实现基于脉冲星的航天器导航。

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