Astrofysiker ritar om läroboksbilden av pulsarer, den täta, virvlande rester av exploderade stjärnor, tack vare NASA:s neutronstjärna Interior Composition Explorer (NICER), ett röntgenteleskop ombord på den internationella rymdstationen. Genom att använda BÄTTRE data, forskare har erhållit de första exakta och pålitliga mätningarna av både en pulsars storlek och dess massa, samt den första kartan någonsin över hot spots på dess yta.

Pulsaren i fråga, J0030+0451 (förkortat J0030), ligger i ett isolerat område av rymden 1, 100 ljusår bort i stjärnbilden Fiskarna. Medan man mäter pulsarens tyngd och proportioner, NICER avslöjade att formerna och placeringen av miljongraders "hot spots" på pulsarens yta är mycket konstigare än vad man brukar tro.

"Från sin sittplats på rymdstationen, NICER revolutionerar vår förståelse av pulsarer, sa Paul Hertz, divisionschef för astrofysik vid NASA:s högkvarter i Washington. "Pulsarer upptäcktes för mer än 50 år sedan som fyrar av stjärnor som har kollapsat till täta kärnor, beter sig till skillnad från allt vi ser på jorden. Med NICER kan vi undersöka naturen hos dessa täta rester på sätt som hittills verkade omöjliga."

En serie artiklar som analyserar NICER:s observationer av J0030 visas i ett fokusnummer av The Astrophysical Journal Letters och är nu tillgänglig online.

När en massiv stjärna dör, det tar slut på bränsle, kollapsar under sin egen vikt och exploderar som en supernova. Dessa stjärndödsfall kan lämna bakom neutronstjärnor, som packar mer massa än vår sol i en sfär som är ungefär lika bred som ön Manhattan är lång. Pulsarer, som är en klass av neutronstjärnor, snurra upp till hundratals gånger varje sekund och sveper strålar av energi mot oss för varje rotation. J0030 roterar 205 gånger per sekund.

I årtionden, forskare har försökt ta reda på exakt hur pulsarer fungerar. I den enklaste modellen, en pulsar har ett kraftfullt magnetfält format ungefär som en hushållsstavmagnet. Fältet är så starkt att det river partiklar från pulsarens yta och accelererar dem. Vissa partiklar följer magnetfältet och träffar den motsatta sidan, värma upp ytan och skapa heta punkter vid magnetpolerna. Hela pulsaren lyser svagt i röntgenstrålar, men de heta fläckarna är ljusare. När föremålet snurrar, dessa fläckar sveper in och ut ur synen som strålarna från en fyr, producerar extremt regelbundna variationer i objektets röntgenljusstyrka. Men de nya NICER studierna av J0030 visar att pulsarer inte är så enkla.

Med hjälp av BÄTTRE observationer från juli 2017 till december 2018, två grupper av forskare kartlade J0030:s hot spots med hjälp av oberoende metoder och konvergerade på liknande resultat för dess massa och storlek. Ett team ledd av Thomas Riley, en doktorand i beräkningsastrofysik, och hans handledare Anna Watts, professor i astrofysik vid universitetet i Amsterdam, bestämt att pulsaren är cirka 1,3 gånger solens massa och 15,8 miles (25,4 kilometer) i diameter. Cole Miller, en astronomiprofessor vid University of Maryland (UMD) som ledde det andra laget, hittat J0030 är cirka 1,4 gånger solens massa och något större, cirka 16,2 miles (26 kilometer) bred.

"När vi först började arbeta på J0030, vår förståelse av hur man simulerar pulsarer var ofullständig, och det är det fortfarande, " sa Riley. "Men tack vare NICERs detaljerade data, verktyg med öppen källkod, högpresterande datorer och bra lagarbete, vi har nu ett ramverk för att utveckla mer realistiska modeller av dessa objekt."

En pulsar är så tät att dess gravitation förvränger närliggande rum-tid - universums "tyg" som beskrivs av Einsteins allmänna relativitetsteori - på ungefär samma sätt som en bowlingklot på en studsmatta sträcker ytan. Rum-tid är så förvrängd att ljuset från den sida av pulsaren som är vänd bort från oss "böjs" och omdirigeras till vår syn. Detta gör att stjärnan ser större ut än den är. Effekten innebär också att de heta fläckarna aldrig helt försvinner när de roterar till stjärnans bortre sida. NICER mäter ankomsten av varje röntgenstrålning från en pulsar till bättre än hundra nanosekunder, en precision som är cirka 20 gånger större än tidigare tillgänglig, så forskare kan dra fördel av denna effekt för första gången.

"NICERs oöverträffade röntgenmätningar gjorde det möjligt för oss att göra de mest exakta och tillförlitliga beräkningarna av en pulsars storlek hittills, med en osäkerhet på mindre än 10 %, "Sa Miller. "Hela NICER-teamet har gjort ett viktigt bidrag till grundläggande fysik som är omöjlig att undersöka i markbundna laboratorier."

Vår vy från jorden ser på J0030:s norra halvklot. När teamen kartlade formerna och platserna för J0030:s fläckar, de förväntade sig att hitta en där baserat på lärobokens bild av pulsarer, men gjorde det inte. Istället, forskarna identifierade upp till tre hotspots, "alla på södra halvklotet.

Riley och hans kollegor körde simuleringar med överlappande cirklar av olika storlekar och temperaturer för att återskapa röntgensignalerna. Att utföra sin analys på den holländska nationella superdatorn Cartesius tog mindre än en månad – men skulle ha krävt cirka 10 år på en modern stationär dator. Deras lösning identifierar två hot spots, den ena liten och rund och den andra lång och halvmåneformad.

Millers grupp utförde liknande simuleringar, men med ovaler av olika storlekar och temperaturer, på UMD:s Deepthought2 superdator. De hittade två möjliga och lika troliga fläckkonfigurationer. Den ena har två ovaler som nära matchar mönstret som hittats av Rileys team. Den andra lösningen lägger till en tredje, svalare punkt något snett om pulsarens södra rotationspol.

Tidigare teoretiska förutsägelser antydde att hotspotplatser och former kan variera, men J0030-studierna är de första som kartlägger dessa ytegenskaper. Forskare försöker fortfarande avgöra varför J0030:s fläckar är ordnade och formade som de är, men för närvarande är det klart att pulsarmagnetiska fält är mer komplicerade än den traditionella tvåpoliga modellen.

NICER:s huvudsakliga vetenskapsmål är att exakt bestämma massorna och storlekarna på flera pulsarer. Med denna information kommer forskare äntligen att kunna dechiffrera materiens tillstånd i neutronstjärnornas kärnor, materia krossad av enorma tryck och tätheter som inte kan replikeras på jorden.

"Det är anmärkningsvärt, och också mycket lugnande, att de två lagen uppnådde så liknande storlekar, massor och hot spot-mönster för J0030 med olika modelleringsmetoder, " sa Zaven Arzoumanian, BRA vetenskapsledare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Det säger oss att NICER är på rätt väg för att hjälpa oss att svara på en bestående fråga inom astrofysik:Vilken form tar materia i neutronstjärnornas ultratäta kärnor?"

NICER är en Astrophysics Mission of Opportunity inom NASA:s Explorers-program, som ger frekventa flygmöjligheter för vetenskapliga undersökningar i världsklass från rymden med hjälp av innovativa, strömlinjeformade och effektiva förvaltningsmetoder inom heliofysik och astrofysikvetenskap. NASA:s Space Technology Mission Directorate stöder SEXTANT-komponenten i uppdraget, demonstrerar pulsarbaserad rymdfarkostsnavigering.