عندما يتعرض نجم كبير لانهيار الجاذبية قرب نهاية عمره ، غالبًا ما يكون النجم النيوتروني هو النتيجة. هذا ما تبقى بعد أن انفجرت الطبقات الخارجية للنجم في انفجار هائل (أي مستعر أعظم) وانضغط النواة إلى كثافة قصوى. بعد ذلك ، يزداد معدل دوران النجم بشكل كبير ، وحيث تنبعث حزمًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، تصبح "النجوم النابضة".
والآن ، بعد 50 عامًا من اكتشافها من قبل عالمة الفيزياء الفلكية البريطانية جوسلين بيل ، كانت المهمة الأولى المكرسة لدراسة هذه الأشياء على وشك الانتهاء. تُعرف باسم مستكشف التركيبات النجمية Neutron Star (NICER) ، وهي تجربة من جزأين سيتم نشرها في محطة الفضاء الدولية هذا الصيف. إذا سارت الأمور على ما يرام ، فسوف تسلط هذه المنصة الضوء على أحد أكبر الألغاز الفلكية ، وتجربة التقنيات الجديدة.
ظل الفلكيون يدرسون النجوم النيوترونية منذ قرن تقريبًا ، مما أسفر عن بعض القياسات الدقيقة جدًا لكتلهم ونصف قطرهم. ومع ذلك ، فإن ما يحدث بالفعل في باطن النجم النيوتروني يبقى لغزًا دائمًا. في حين تم تقديم العديد من النماذج التي تصف الفيزياء التي تحكم تصميماتها الداخلية ، لا يزال من غير الواضح كيف ستتصرف المادة في ظل هذه الأنواع من الظروف.
ليس من المستغرب ، نظرًا لأن النجوم النيوترونية عادةً ما تحتوي على 1.4 ضعف كتلة شمسنا (أو 460.000 مرة كتلة الأرض) في حجم مساحة بحجم مدينة. هذا النوع من الحالات ، حيث يتم تعبئة كمية كبيرة من المادة في حجم صغير جدًا - مما يؤدي إلى جاذبية ساحقة وكثافة مادة لا تصدق - لا يُرى في أي مكان آخر في الكون.
كما أوضح كيث جندرو ، العالم في مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لوكالة ناسا ، في بيان صحفي أصدرته وكالة ناسا:
"إن طبيعة المادة في ظل هذه الظروف هي مشكلة لم يتم حلها منذ عقود. تقدمت النظرية مجموعة من النماذج لوصف الفيزياء التي تحكم الأجزاء الداخلية للنجوم النيوترونية. مع NICER ، يمكننا أخيرًا اختبار هذه النظريات بملاحظات دقيقة ".
تم تطوير NICE بواسطة مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا بمساعدة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، ومختبر الأبحاث البحرية ، والجامعات عبر الولايات المتحدة وكندا. وتتكون من جهاز بحجم الثلاجة يحتوي على 56 مقراب بالأشعة السينية وكاشفات من السيليكون. على الرغم من أنه كان من المقرر نشره في أواخر عام 2016 ، إلا أن نافذة الإطلاق لم تكن متاحة حتى هذا العام.
بمجرد تركيبها كحمولة خارجية على متن محطة الفضاء الدولية ، ستجمع بيانات عن النجوم النيوترونية (النجم النابض بشكل رئيسي) على مدى 18 شهرًا من خلال مراقبة النجوم النيوترونية في نطاق الأشعة السينية. على الرغم من أن هذه النجوم تطلق إشعاعًا عبر الطيف ، يُعتقد أن رصدات الأشعة السينية هي الأكثر واعدة عندما يتعلق الأمر بالكشف عن أشياء حول هيكلها وظواهر الطاقة العالية المرتبطة بها.
وتشمل هذه الزلازل والانفجارات النووية الحرارية وأقوى المجالات المغناطيسية المعروفة في الكون. للقيام بذلك ، سيجمع NICER أشعة سينية ناتجة عن المجالات المغناطيسية لهذه النجوم وأقطابها المغناطيسية. هذا هو المفتاح ، حيث أن قوة المجالات المغناطيسية للنجم النيوتروني تتسبب في حبس الجسيمات وهطول الأمطار على السطح ، مما ينتج أشعة سينية عند القطبين.
في النجوم النابضة ، هذه المجالات المغناطيسية الشديدة هي التي تتسبب في أن تصبح الجسيمات النشطة حزمًا مركزة من الإشعاع. هذه الحزم هي التي تعطي اسم النجوم النابضة ، لأنها تظهر مثل ومضات بفضل دوران النجم (مما يمنحهم مظهرًا يشبه "المنارة"). كما لاحظ الفيزيائيون ، فإن هذه النبضات يمكن التنبؤ بها ، وبالتالي يمكن استخدامها بنفس الطريقة التي توجد بها الساعات الذرية ونظام تحديد المواقع العالمي على الأرض.
في حين أن الهدف الأساسي لـ NICER هو العلم ، فإنه يوفر أيضًا إمكانية اختبار أشكال جديدة من التكنولوجيا. على سبيل المثال ، سيتم استخدام الأداة لإجراء أول عرض على الإطلاق للملاحة المستقلة القائمة على الأشعة السينية النابضة. كجزء من مستكشف المحطة لتوقيت الأشعة السينية وتكنولوجيا الملاحة (SEXTANT) ، سيستخدم الفريق تلسكوبات NICER للكشف عن أشعة الأشعة السينية الناتجة عن النجوم النابضة لتقدير أوقات وصول نبضاتها.
سيستخدم الفريق بعد ذلك خوارزميات مصممة خصيصًا لإنشاء حل ملاحة على متن الطائرة. في المستقبل ، يمكن أن تعتمد سفن الفضاء بين النجوم نظريًا على ذلك لحساب موقعها بشكل مستقل. يسمح لهم هذا القذر أن يجدوا طريقهم في الفضاء دون الحاجة إلى الاعتماد على شبكة الفضاء العميق (DSN) التابعة لوكالة ناسا ، والتي تعتبر أكثر أنظمة الاتصالات حساسية في العالم.
بالإضافة إلى الملاحة ، يأمل مشروع NICER أيضًا في إجراء أول اختبار على الإطلاق لقابلية الاتصالات القائمة على الأشعة السينية (XCOM). باستخدام الأشعة السينية لإرسال البيانات واستقبالها (بنفس الطريقة التي نستخدم بها حاليًا الموجات اللاسلكية) ، يمكن للمركبة الفضائية إرسال البيانات بمعدل غيغابت في الثانية عبر المسافات بين الكواكب. يمكن لهذه القدرة أن تحدث ثورة في الطريقة التي نتواصل بها مع المهام الطاقم ، والمركبة ، والمدارين.
من الأمور الأساسية لكلتا العرضين هو مصدر الأشعة السينية المعدلة (MXS) ، الذي طوره فريق NICER لمعايرة كاشفات الحمولة واختبار خوارزميات التنقل. توليد أشعة سينية بكثافة متغيرة بسرعة (من خلال تشغيل وإيقاف عدة مرات في الثانية) ، سيحاكي هذا الجهاز نبضات نجم نيوتروني. كما أوضح جندرو:
"هذه تجربة مثيرة للاهتمام نقوم بها في محطة الفضاء. لقد حصلنا على الكثير من الدعم الكبير من رجال العلوم وتكنولوجيا الفضاء في مقر وكالة ناسا. لقد ساعدونا في تطوير التقنيات التي تجعل NICER ممكنة وكذلك تلك التي سيظهرها NICER. إن المهمة عبارة عن مسارات متوهجة على عدة مستويات مختلفة ".
ومن المؤمل أن تكون MXS جاهزة للشحن إلى المحطة في وقت ما من العام المقبل ؛ في ذلك الوقت ، يمكن أن تبدأ مظاهرات الملاحة والاتصالات. ومن المتوقع أنه قبل 25 يوليو ، الذي يوافق الذكرى الخمسين لاكتشاف بيل ، سيكون الفريق قد جمع بيانات كافية لتقديم النتائج في المؤتمرات العلمية المقرر عقدها في وقت لاحق من هذا العام.
إذا نجحت ، يمكن لـ NICER أن تحدث ثورة في فهمنا لكيفية تصرف النجوم النيوترونية (وكيف تتصرف المادة في حالة فائقة الكثافة). يمكن أن تساعدنا هذه المعرفة أيضًا على فهم الألغاز الكونية الأخرى مثل الثقوب السوداء. علاوة على ذلك ، يمكن للاتصالات والملاحة بالأشعة السينية أن تحدث ثورة في استكشاف الفضاء والسفر كما نعرفه. بالإضافة إلى توفير عوائد أكبر من المهمات الروبوتية الموجودة بالقرب من المنزل ، فإنه يمكن أيضًا أن يتيح المزيد من المهام المربحة إلى مواقع في النظام الشمسي الخارجي وحتى أبعد من ذلك.
