Nästan 50 år efter att den brittiska astrofysikern Jocelyn Bell upptäckte existensen av snabbt snurrande neutronstjärnor, NASA kommer att lansera världens första uppdrag som ägnas åt att studera dessa ovanliga föremål.

Byrån kommer också att använda samma plattform för att genomföra världens första demonstration av röntgennavigering i rymden.

Byrån planerar att lansera två-i-ett Neutron Star Interior Composition Explorer, eller trevligare, ombord på SpaceX CRS-11, ett laståterförsörjningsuppdrag till den internationella rymdstationen som ska skjutas upp ombord på en Falcon 9-raket.

Ungefär en vecka efter installationen som en extern ansluten nyttolast, denna unika undersökning kommer att börja observera neutronstjärnor, de tätaste föremålen i universum. Uppdraget kommer att fokusera särskilt på pulsarer – de neutronstjärnor som verkar blinka av och på eftersom deras spin sveper strålar av strålning förbi oss, som en kosmisk fyr.

"Tidpunkten för denna lansering är apropos, sa Keith Gendreau, en forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, som ledde uppdragets utveckling som också involverade Massachusetts Institute of Technology, sjöfartsforskningslaboratoriet, och universitet över hela USA och i Kanada. Även om teamet hade färdigställt och levererat nyttolasten i kylskåpsstorlek utrustad med 56 röntgenteleskop och silikondetektorer före schemat förra sommaren, en lanseringsmöjlighet blev inte tillgänglig förrän 2017.

Strax efter 50-årsdagen av Bells upptäckt den 25 juli, det NICER-teamet borde ha samlat in tillräckligt med data "för att göra lite av ett plask, " tillade NICER biträdande huvudutredare Zaven Arzoumanian, hänvisar till vetenskapliga konferenser i år, inklusive en som firar Bells upptäckt av regelbundet pulserande signaler som senare identifierades som roterande neutronstjärnor.

Fysiska extremer

På grund av deras extrema natur, neutronstjärnor och pulsarer har väckt ett stort intresse sedan deras existens teoretiskt föreslogs 1939 och sedan upptäcktes 1967.

Dessa objekt är resterna av massiva stjärnor som, efter att ha förbrukat sitt kärnbränsle, exploderade och kollapsade till supertäta sfärer ungefär lika stora som New York City. Deras intensiva gravitation krossar en häpnadsväckande mängd materia - ofta mer än 1,4 gånger solens innehåll eller åtminstone 460, 000 jordar – in i dessa klot i storstadsstorlek, skapa stabil, ändå otroligt tät materia som inte syns någon annanstans i universum. Bara en tesked neutronstjärnemateria skulle väga en miljard ton på jorden.

"Materiens natur under dessa förhållanden är ett årtionden gammalt olöst problem, ", sade Gendreau. "Teorin har utvecklat en mängd modeller för att beskriva fysiken som styr neutronstjärnornas inre. Med SNYGARE, vi kan äntligen testa dessa teorier med exakta observationer."

Även om neutronstjärnor sänder ut strålning över hela spektrumet, Att observera dem i det energiska röntgenbandet ger den största insikten om deras struktur och de högenergifenomen som de är värd för, inklusive stjärnbävningar, termonukleära explosioner, och de mest kraftfulla magnetfält som är kända i kosmos.

Under sitt 18 månader långa uppdrag, NICER kommer att samla in röntgenstrålar som genereras från stjärnornas oerhört starka magnetfält och från hotspots vid deras två magnetiska poler. På dessa platser, objektens intensiva magnetiska fält kommer fram från deras ytor och partiklar som är fångade inom dessa fält regnar ner och genererar röntgenstrålar när de träffar stjärnornas ytor.

I pulsarer, dessa strömmande partiklar avger kraftfulla strålar av strålning från närheten av de magnetiska polerna. På jorden – som Bell upptäckte – observeras dessa strålar av strålning som strålningsblixtar som sträcker sig från sekunder till millisekunder beroende på hur snabbt pulsaren roterar.

För att demonstrera röntgennavigering

Eftersom dessa pulsationer är förutsägbara, de kan användas som himmelsklockor, ger hög precisionstid, som atomklockans signaler som levereras genom Global Positioning System, även känd som GPS. Även om det finns överallt på jorden, GPS-signaler försvagas ju längre man färdas bortom jordens omloppsbana. Pulsarer, dock, är tillgängliga praktiskt taget överallt i rymden, vilket gör dem till en värdefull navigeringslösning för utforskning av rymden.

Använder samma SNYGARE hårdvara, uppdraget planerar också att demonstrera genomförbarheten av autonom röntgen- eller pulsarbaserad navigering, som aldrig tidigare har visats.

I ett experiment kallat Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, eller SEXTANT, teamet kommer att använda NICER:s teleskop för att detektera röntgenljus som sänds ut inom pulsarernas svepande strålar av strålning för att uppskatta ankomsttiderna för pulserna. Med dessa mätningar, teamet kommer att använda specialutvecklade algoritmer för att sy ihop en inbyggd navigationslösning.

Om ett interplanetariskt uppdrag var utrustat med en sådan navigeringsanordning, den skulle kunna beräkna sin plats autonomt, i stort sett oberoende av NASA:s Deep Space Network, som anses vara det känsligaste telekommunikationssystemet i världen.

"Vårt primära mål är vetenskap, ", sade Gendreau. "Men vi kan använda samma pulsarmätningar för att demonstrera röntgennavigering. Det är sällsynt att vi forskare får utveckla ett multifunktionsexperiment som det här. Det går ihop."

Röntgenkommunikation möjlig

Dock, Röntgennavigering med hjälp av NICER:s pulsartiddata är inte den enda teknik som teamet skulle vilja demonstrera. I en annan potentiell första, teamet vill demonstrera röntgenbaserad kommunikation, eller XCOM – en funktion som så småningom kan tillåta rymdresenärer, inklusive rymdfarkoster, att överföra gigabit data per sekund över interplanetära avstånd.

Centralt för denna potentiella demonstration är Goddards modulerade röntgenkälla, eller MXS, som NICER-teamet utvecklade för att kalibrera nyttolastens detektorer och hjälpa till att testa de algoritmer som behövs för att demonstrera röntgennavigering. Denna enhet genererar röntgenstrålar med snabbt varierande intensitet, slå på och av många gånger per sekund för att simulera, till exempel, en målneutronstjärnas pulsationer.

För att visa XCOM, teamet skulle flyga en rymdkvalificerad MXS till den internationella rymdstationen och distribuera den på en extern experimentpall cirka 166 fot från NICER. Under experimentet, teamet skulle koda digitala data i pulsade röntgenstrålar med hjälp av MXS och överföra data till NICERs mottagare.

"Vi har det mesta av hårdvaran färdig, " sa SEXTANT och XCOM projektledare Jason Mitchell. "Vi behöver bara några fler resurser för att avsluta jobbet."

Om laget lyckas flyga MXS kanske nästa år, "den resulterande demonstrationen kan vara spelförändrande, " tillade Mitchell. Förutom att lova gigabit-per-sekund dataöverföringshastigheter över stora avstånd, Röntgenkommunikation skulle möjliggöra kommunikation med hypersoniska fordon och rymdfarkoster.

"Detta är ett mycket intressant experiment som vi gör på rymdstationen, ", sade Gendreau. "Vi har fått mycket bra stöd från vetenskaps- och rymdteknikfolket vid NASA:s högkvarter. De har hjälpt oss att utveckla de teknologier som gör NICER möjligt såväl som de som NICER kommer att demonstrera. Uppdraget är banbrytande spår på flera olika nivåer."