Wenn ein großer Stern gegen Ende seiner Lebensdauer einen Gravitationskollaps erleidet, ist häufig ein Neutronenstern die Folge. Dies bleibt, nachdem die äußeren Schichten des Sterns bei einer massiven Explosion (d. H. Einer Supernova) abgeblasen wurden und der Kern auf extreme Dichte komprimiert wurde. Danach steigt die Rotationsrate des Sterns erheblich an und wo sie elektromagnetische Strahlung aussenden, werden sie zu „Pulsaren“.
Und jetzt, 50 Jahre nachdem sie erstmals von der britischen Astrophysikerin Jocelyn Bell entdeckt wurden, steht die erste Mission zur Untersuchung dieser Objekte vor der Tür. Es ist als Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) bekannt, ein zweiteiliges Experiment, das diesen Sommer auf der Internationalen Raumstation eingesetzt wird. Wenn alles gut geht, wird diese Plattform eines der größten astronomischen Geheimnisse beleuchten und neue Technologien testen.
Astronomen untersuchen seit fast einem Jahrhundert Neutronensterne, die einige sehr genaue Messungen ihrer Massen und Radien ergeben haben. Was sich jedoch tatsächlich im Inneren eines Neutronensterns abspielt, bleibt ein dauerhaftes Rätsel. Obwohl zahlreiche Modelle entwickelt wurden, die die Physik beschreiben, die ihre Innenräume regelt, ist immer noch unklar, wie sich Materie unter diesen Bedingungen verhalten würde.
Kein Wunder, denn Neutronensterne halten in der Regel etwa das 1,4-fache der Masse unserer Sonne (oder das 460.000-fache der Masse der Erde) in einem Raumvolumen von der Größe einer Stadt. Diese Art von Situation, in der eine beträchtliche Menge an Materie in ein sehr kleines Volumen gepackt wird - was zu einer Zerstörung der Schwerkraft und einer unglaublichen Materiedichte führt -, ist nirgendwo anders im Universum zu sehen.
Keith Gendreau, Wissenschaftler am Goddard Space Flight Center der NASA, erklärte kürzlich in einer Pressemitteilung der NASA:
„Die Natur der Materie unter diesen Bedingungen ist ein jahrzehntealtes ungelöstes Problem. Die Theorie hat eine Vielzahl von Modellen entwickelt, um die Physik zu beschreiben, die das Innere von Neutronensternen regelt. Mit NICER können wir diese Theorien endlich mit präzisen Beobachtungen testen. “
NICE wurde vom Goddard Space Flight Center der NASA mit Unterstützung des Massachusetts Institute of Technology (MIT), des Naval Research Laboratory und von Universitäten in den USA und Kanada entwickelt. Es besteht aus einem kühlschrankgroßen Gerät, das 56 Röntgenteleskope und Siliziumdetektoren enthält. Obwohl es ursprünglich für Ende 2016 vorgesehen war, wurde ein Startfenster erst in diesem Jahr verfügbar.
Nach der Installation als externe Nutzlast an Bord der ISS werden über einen Zeitraum von 18 Monaten Daten zu Neutronensternen (hauptsächlich Pulsaren) gesammelt, indem Neutronensterne im Röntgenband beobachtet werden. Obwohl diese Sterne Strahlung über das gesamte Spektrum emittieren, gelten Röntgenbeobachtungen als die vielversprechendsten, wenn es darum geht, Dinge über ihre Struktur und verschiedene damit verbundene hochenergetische Phänomene aufzudecken.
Dazu gehören Sternbeben, thermonukleare Explosionen und die stärksten Magnetfelder, die im Universum bekannt sind. Zu diesem Zweck sammelt NICER Röntgenstrahlen, die von den Magnetfeldern und Magnetpolen dieser Sterne erzeugt werden. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da an den Polen die Stärke der Magnetfelder eines Neutronensterns dazu führt, dass Partikel eingefangen werden und auf die Oberfläche regnen, wodurch Röntgenstrahlen erzeugt werden.
In Pulsaren sind es diese intensiven Magnetfelder, die dazu führen, dass energetische Teilchen zu fokussierten Strahlungsstrahlen werden. Diese Strahlen geben den Pulsaren ihren Namen, da sie dank der Rotation des Sterns wie Blitze erscheinen (was ihnen das Aussehen eines „Leuchtturms“ verleiht). Wie Physiker beobachtet haben, sind diese Pulsationen vorhersehbar und können daher genauso verwendet werden wie Atomuhren und das Global Positioning System hier auf der Erde.
Während das Hauptziel von NICER die Wissenschaft ist, bietet es auch die Möglichkeit, neue Formen der Technologie zu testen. Mit dem Instrument wird beispielsweise erstmals die autonome Röntgenpulsar-basierte Navigation demonstriert. Im Rahmen des Stations-Explorers für Röntgen-Timing- und Navigationstechnologie (SEXTANT) wird das Team die NICER-Teleskope verwenden, um die von Pulsaren erzeugten Röntgenstrahlen zu erfassen und die Ankunftszeiten ihrer Pulse abzuschätzen.
Das Team wird dann speziell entwickelte Algorithmen verwenden, um eine integrierte Navigationslösung zu erstellen. In Zukunft könnten sich interstellare Raumschiffe theoretisch darauf verlassen, um ihren Standort autonom zu berechnen. Auf diese Weise können sie sich im Weltraum zurechtfinden, ohne sich auf das Deep Space Network (DSN) der NASA verlassen zu müssen, das als das empfindlichste Telekommunikationssystem der Welt gilt.
Über die Navigation hinaus hofft das NICER-Projekt auch, den ersten Test der Lebensfähigkeit von röntgenbasierter Kommunikation (XCOM) durchführen zu können. Durch die Verwendung von Röntgenstrahlen zum Senden und Empfangen von Daten (auf die gleiche Weise, wie wir derzeit Funkwellen verwenden) könnten Raumfahrzeuge Daten mit einer Geschwindigkeit von Gigabit pro Sekunde über interplanetare Entfernungen senden. Eine solche Kapazität könnte die Art und Weise revolutionieren, wie wir mit Missionen mit Besatzung, Rover und Orbitern kommunizieren.
Im Mittelpunkt beider Demonstrationen steht die modulierte Röntgenquelle (MXS), die das NICER-Team entwickelt hat, um die Detektoren der Nutzlast zu kalibrieren und die Navigationsalgorithmen zu testen. Dieses Gerät erzeugt Röntgenstrahlen mit schnell variierender Intensität (durch mehrmaliges Ein- und Ausschalten pro Sekunde) und simuliert die Pulsationen eines Neutronensterns. Wie Gendreau erklärte:
"Dies ist ein sehr interessantes Experiment, das wir auf der Raumstation durchführen. Wir haben viel Unterstützung von Wissenschaftlern und Raumfahrttechnikern im NASA-Hauptquartier erhalten. Sie haben uns geholfen, die Technologien, die NICER ermöglichen, sowie die Technologien, die NICER demonstrieren wird, weiterzuentwickeln. Die Mission ist bahnbrechend auf verschiedenen Ebenen. “
Es ist zu hoffen, dass der MXS irgendwann im nächsten Jahr zur Station geliefert werden kann. Zu diesem Zeitpunkt könnten Navigations- und Kommunikationsdemonstrationen beginnen. Und es wird erwartet, dass das Team vor dem 25. Juli, dem 50. Jahrestag der Entdeckung von Bell, genügend Daten gesammelt hat, um die Ergebnisse auf wissenschaftlichen Konferenzen zu präsentieren, die für später in diesem Jahr geplant sind.
Bei Erfolg könnte NICER unser Verständnis darüber revolutionieren, wie sich Neutronensterne (und wie sich Materie in einem superdichten Zustand verhält) verhalten. Dieses Wissen könnte uns auch helfen, andere kosmologische Geheimnisse wie Schwarze Löcher zu verstehen. Darüber hinaus könnten Röntgenkommunikation und Navigation die Weltraumforschung und -reise, wie wir sie kennen, revolutionieren. Zusätzlich zu höheren Erträgen aus Robotermissionen, die sich näher an der Heimat befinden, könnte dies auch lukrativere Missionen zu Orten im äußeren Sonnensystem und sogar darüber hinaus ermöglichen.
