Astronomowie przypuszczają, że gwiazdy neutronowe — zgniecione do ogromnych gęstości pozostałości po eksplozjach masywnych gwiazd — są rozsiane w całej Drodze Mlecznej. Tymczasem w praktyce większość z nich pozostaje dla nas niewidoczna. Nowe wyniki badań opublikowanych w czasopiśmie Astronomy and Astrophysics dowodzą jednak, że przyszły Kosmiczny Teleskop Nancy Grace Roman będzie w stanie je wykryć.
Poszukiwania gwiazd neutronowych przypominają próbę dostrzeżenia tego, co niewidoczne. Gwiazdy neutronowe są pod wieloma względami egzotyczne: masa większa od masy Słońca jest w nich upakowana w sferze wielkości dużego miasta. Większość z nich jest ciemna i samotna, odizolowana od kosmicznego otoczenia. Niełatwo je znaleźć, tymczasem badania większej populacji tych obiektów pomagają w zrozumieniu życia i ewolucji gwiazd oraz sposobów, w jakie rozprzestrzeniają one ciężkie pierwiastki we Wszechświecie. Gwiazdy neutronowe są też cenne dla fizyków, ponieważ dają możliwość badania materii podlegającej najbardziej ekstremalnym z możliwych warunków — zgromadzonej pod wysokim ciśnieniem i przy olbrzymiej gęstości.
Jeśli tylko nie są pulsarami emitującymi silne i powtarzalne w regularnych odstępach czasu fale radiowe lub rentgenowskie, mogą pozostawać ukryte nawet przed najpotężniejszymi teleskopami. Zespół z Heildelberga wykazał jednak, że właśnie flagowe orbitalne "obserwatorium przyszłości" może zidentyfikować i scharakteryzować dziesiątki tak zwanych izolowanych gwiazd neutronowych — dzięki subtelnemu zjawisku zwanemu mikrosoczewkowaniem grawitacyjnym.
Teleskop Nancy Grace Roman korzysta ze znanego zjawiska astrofizycznego. Gdy masywny obiekt, taki jak gwiazda neutronowa, z naszego punktu widzenia przemieszcza się przed odległą gwiazdą położoną w tle, jego silne pole grawitacyjne zakrzywia czasoprzestrzeń i odchyla światło tej gwiazdy. Ten efekt mikrosoczewkowania sprawia, że gwiazda tła na krótki czas staje się znacznie jaśniejsza, a przy tym wydaje się przesunięta względem swojego rzeczywistego położenia na niebie. I choć wiele współczesnych teleskopów może wykryć takie tymczasowe rozjaśnienie, właśnie Nancy Grace Roman będzie w stanie mierzyć zarówno rozjaśnienie (na drodze fotometrii), jak i niewielkie przesunięcie pozycyjne (astrometrię) gwiazdy podlegającej soczewkowaniu – z bardzo wysoką precyzją.
Do tego gwiazdy neutronowe mają duże masy, przez co generują silniejszy sygnał astrometryczny niż obiekty lżejsze, co pozwala misjom takim jak Nancy Grace Roman nie tylko je wykrywać, ale w niektórych przypadkach także określać ich masę – co jest praktycznie niemożliwe przy użyciu samej fotometrii. Można powiedzieć, że fotometria informuje nas, że "coś" przeszło przed gwiazdą, ale to właśnie wielkość przesunięcia pozycji gwiazdy wskazuje, jak masowny jest ten obiekt. Takie pomiary mogą również pomóc w ustaleniu, czy rzeczywiście istnieje różnica w masie między gwiazdami neutronowymi a czarnymi dziurami oraz z jaką prędkością poruszają się gwiazdy neutronowe. Naukowcy są szczególnie zainteresowani lepszym zrozumieniem potężnych impulsów, jakie otrzymują gwiazdy neutronowe w momencie powstawania w wyniku wybuchów supernowych. Impulsy te mogą sprawić, że gwiazdy są przyśpieszane do ogromnych prędkości.
Zespół badawczy wykorzysta przyszły projekt Galactic Bulge Time Domain Survey realizowany przez teleskop Roman. Ma on monitorować miliony gwiazd jednocześnie na szerokich zdjęciach nieba, wykonywanych z dużą częstotliwością. Ciekawe zidentyfikowane w jego ramach obiekty spodziewane są już w pierwszych miesiącach po uruchomieniu satelity. Podkreśla się, że nawet dość niewielka liczba potwierdzonych wykryć gwiazd neutronowych może znacznie poprawić modele opisujące eksplozje gwiazd i zachowanie się materii w ekstremalnych warunkach.
Choć do tej pory wykryto zaledwie kilka tysięcy gwiazd neutronowych, i to głównie w postaci znacznie lepiej "widocznych" pulsarów, naukowcy szacują, że w Drodze Mlecznej może ich być od kilkudziesięciu do kilkuset milionów. Co więcej, jak dotąd badaczom udało się zmierzyć masy gwiazd neutronowych występujących wyłącznie w układach podwójnych.
Warto dodać, że opisywanymi badaniami kieruje znana wielu czytelnikom "Uranii" Polka, Zofia Kaczmarek, obecnie pracująca na Uniwersytecie w Heidelbergu. Zofia jako siedemnastolatka wygrała Olimpiadę Astronomiczną, a rok później powtórzyła to osiągnięcie, jako jedyna w historii zwyciężając w tym konkursie przez dwa lata z rzędu. Za wygraną otrzymała przy tym wyjątkową nagrodę: na jej cześć nazwano planetoidę „Zosiakaczmarek”.
Obserwujemy niewielką próbkę [gwiazd neutronowych], która nie jest reprezentatywna dla całości – podsumowuje Zofia. Nawet pojedynczy pomiar masy miałby tu ogromne znaczenie. Jeśli znajdziemy choćby jedną izolowaną gwiazdę neutronową, już samo to będzie ogromnym impulsem dla naszych badań.
Na ilustracji: Mikrosoczewkowanie astrometryczne ma miejsce, gdy obiekt z pierwszego planu, na przykład gwiazda neutronowa, przechodzi przed bardziej odległą gwiazdą leżącą w tle. Grawitacja gwiazdy neutronowej zakrzywia wtedy światło odległej gwiazdy, rozdzielając je na wiele ścieżek, zanim dotrze ono do teleskopu. Te zniekształcone obrazy nie dają się rozdzielić, ale ich łączna jasność sprawia, że obiekt wydaje się jaśniejszy i nieznacznie przesunięty względem rzeczywistej pozycji odległej gwiazdy. Gdy ustawienie obu obiektów zmienia się z upływem czasu, to pozorne przesunięcie tworzy na niebie niewielki eliptyczny wzór. Wielkość elipsy zależy od tego, jak silnie światło jest odchylane, co oznacza, że obiekty o większej masie powodują większe przesunięcia, pozwalając astronomom bezpośrednio mierzyć masę niewidocznej dla nas w innym przypadku gwiazdy neutronowej. (NASA, STScI, Joyce Kang (STScI)
Czytaj więcej:
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Źródło: NASA
Na wizualizacji artystycznej przedstawiono samotną gwiazdę neutronową jako niezwykle gęstą pozostałość jądra dawnej gwiazdy, w której masa większa od masy Słońca zmieściła się w kuli wielkości miasta i która powoli schładza się w przestrzeni kosmicznej, emitując przy tym energię. Nadchodzący teleskop kosmiczny NASA im. Nancy Grace Roman ma szukać takich odizolowanych gwiazd neutronowych i mierzyć ich masy przy pomocy mikrosoczewkowania astrometrycznego. (NASA, STScI, Ralf Crawford (STScI))
