XMM-Newton fokuserer på rommets eksotiske materie

Neutron star (blue) draws nuclear fuel from its companion star (
Nøytronstjerne (blå) trekker nukleært brensel
6 november 2002

ESA PR 69-2002. En brøkdel av et sekund etter Big Bang var ursuppen av materie "brutt ned" i dets vesentligste bestanddeler. Man trodde det var forsvunnet for bestandig, men forskerne hadde en sterk mistanke om at den eksotiske gruppen av oppløst materie fremdeles kan finnes i vår tids Univers – nemlig i kjernen av visse meget tette objekter kalt nøytronstjerner.

Med ESA´s romteleskop XMM-Newton er de nå nærmere en prøving av denne idéen. For første har XMM-Newton vært i stand til å måle innflytelsen gravitasjonsfeltet en nøytronstjerne har på lyset den avgir. Målingen skaffer en langt bedre innsikt i disse objektene.

Nøytronstjerner hører til blant de tetteste objektene i Universet – de består nemlig av en masse tilsvarende Solens pakket sammen til en kule med diameter 10 km. En del av en nøytronstjerne på størrelse av en sukkerbit kan veie mer enn en billion tonn. Nøytronstjerner er rester av eksploderende stjerner med en masse på opptil åtte ganger Solens. Mot slutten av sin livssyklus gjennomgår de en supernova-eksplosjon, hvoretter de kollapser av sin egen gravitasjon. Deres indre kan derfor omfatte en meget eksotisk form for materie.

As gases build up on neutron stars
Når gasser bygger seg opp på nøytronstjerner

Forskerne tror at tettheten og temperaturen i en nøytronstjerne tilsvarer det som fantes en brøkdel av et sekund etter Big Bang. De antar at når materie pakkes så tett som i en nøytronstjerne, gjennomgår den viktige forandringer. Protoner, elektroner og nøytroner, som atomene består av, smelter sammen. Det er til og med mulig at de såkalte kvarkene – byggeblokkene i protoner og nøytroner – presses sammen og blir til en slags eksotisk plasma av "oppløst" materie.

Hvordan kan man konstatere det? Forskerne har brukt tiår i forsøket på å identifisere materien i nøytronstjerner. Men her er det nødvendig å kjenne noen viktige parametre med stør nøyaktighet: Hvis man kjenner en stjernes masse og radius, eller forholdet mellom dem, kan tettheten beregnes. Imidlertid har ikke tilstrekkelig avanserte instrumenter vært tilgjengelig for å utføre de nødvendige målingene – før nå. Takket være ESA's XMM-Newton har astronomene for første gang kunnet måle masse/radius-forholdet for en nøytronstjerne og dermed skaffet seg de første antydninger om sammensetningen. Det kan se ut som en nøytronstjerne inneholder vanlig, ikke eksotisk materie, men atskillig forskningsarbeid gjenstår før man kan uttale seg med sikkerhet.

Måten målingene ble utført på regnes som en pionerbragd i astronomisk observasjon. Metoden er indirekte, og tar utgangspunkt i den kolossale gravitasjonskraften en nøytronstjerne omgir seg med. Kraften er milliarder ganger sterkere enn Jordens, og den får lyspartiklene som sendes ut av nøytronstjernen til å miste energi. Energitapet kalles gravitasjons-rødskifte. Måling av rødskiftet med XMM-Newton ga en indikasjon på gravitasjonskraftens styrke og avslørte dermed stjernens tetthet.

XMM (X-ray multi-mirror mission) artist view
XMM-Newton

"Dette er en meget nøyaktig måling som ikke ville ha vært mulig uten den høye følsomheten til XMM-Newton og dets evne til å skjelne detaljer", sier Fred Jansen, prosjektforsker for ESA´s XMM-Newton.

Ifølge hovedpersonen bak pionerarbeidet, Jean Cottam ved NASA's Goddard Space Flight Center, ble "forsøk på å måle gravitasjons-rødskiftet gjort like etter Einstein publiserte Den generelle realtivitetsteorien, men ingen har vært i stand til å måle effekten på en nøytronstjerne. Og der skal den være kolossal. Det er nå bekreftet".

Resultatet er oppnådd ved observasjon av nøytronstjernen EXO 0748-676. XMM-Newton registrerte lyset i form av røntgenstråling. Spesielt, takket være en analyse av røntgenstrålingen, var astronomene i stand til å identifisere noen kjemiske grunnstoffer. For eksempel jern, som fantes rundt nøytronstjernen. Dermed kunne de sammenligne det påvirkede signalet sendt ut av jernatomene i nøytronstjernen med et signal produsert av jernatomer i laboratoriet.

Forskningsarbeidet er publisert i 7. november utgaven av tidsskriftet Nature.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.