Cuando una gran estrella sufre un colapso gravitacional cerca del final de su vida útil, a menudo el resultado es una estrella de neutrones. Esto es lo que queda después de que las capas externas de la estrella se hayan volado en una explosión masiva (es decir, una supernova) y el núcleo se haya comprimido a una densidad extrema. Posteriormente, la velocidad de rotación de la estrella aumenta considerablemente, y donde emiten haces de radiación electromagnética, se convierten en "púlsares".
Y ahora, 50 años después de que fueron descubiertos por primera vez por la astrofísica británica Jocelyn Bell, la primera misión dedicada al estudio de estos objetos está a punto de ser montada. Es conocido como el Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER), un experimento de dos partes que se desplegará en la Estación Espacial Internacional este verano. Si todo va bien, esta plataforma arrojará luz sobre uno de los mayores misterios astronómicos y probará nuevas tecnologías.
Los astrónomos han estado estudiando las estrellas de neutrones durante casi un siglo, que han arrojado algunas mediciones muy precisas de sus masas y radios. Sin embargo, lo que realmente sucede en el interior de una estrella de neutrones sigue siendo un misterio perdurable. Si bien se han avanzado numerosos modelos que describen la física que rige sus interiores, todavía no está claro cómo se comportaría la materia en este tipo de condiciones.
No es sorprendente, ya que las estrellas de neutrones suelen tener aproximadamente 1,4 veces la masa de nuestro Sol (o 460,000 veces la masa de la Tierra) dentro de un volumen de espacio del tamaño de una ciudad. Este tipo de situación, donde una cantidad considerable de materia se empaqueta en un volumen muy pequeño, lo que resulta en una gravedad aplastante y una densidad de materia increíble, no se ve en ningún otro lugar del Universo.
Como Keith Gendreau, científico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, explicó en un reciente comunicado de prensa de la NASA:
“La naturaleza de la materia en estas condiciones es un problema sin resolver de hace décadas. La teoría ha avanzado una serie de modelos para describir la física que rige los interiores de las estrellas de neutrones. Con NICER, finalmente podemos probar estas teorías con observaciones precisas ".
NICE fue desarrollado por el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA con la asistencia del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), el Laboratorio de Investigación Naval y universidades de los Estados Unidos y Canadá. Consiste en un aparato del tamaño de un refrigerador que contiene 56 telescopios de rayos X y detectores de silicio. Aunque originalmente estaba destinado a implementarse a fines de 2016, una ventana de lanzamiento no estuvo disponible hasta este año.
Una vez instalado como una carga útil externa a bordo de la ISS, reunirá datos sobre estrellas de neutrones (principalmente púlsares) durante un período de 18 meses al observar estrellas de neutrones en la banda de rayos X. A pesar de que estas estrellas emiten radiación en todo el espectro, se cree que las observaciones de rayos X son las más prometedoras cuando se trata de revelar cosas sobre su estructura y varios fenómenos de alta energía asociados con ellas.
Estos incluyen terremotos, explosiones termonucleares y los campos magnéticos más poderosos conocidos en el Universo. Para hacer esto, NICER recolectará rayos X generados a partir de los campos magnéticos y los polos magnéticos de estas estrellas. Esto es clave, ya que es en los polos donde la fuerza de los campos magnéticos de una estrella de neutrones hace que las partículas queden atrapadas y lluevan en la superficie, lo que produce rayos X.
En los púlsares, son estos campos magnéticos intensos los que hacen que las partículas energéticas se conviertan en haces de radiación enfocados. Estos rayos son los que dan su nombre a los púlsares, ya que aparecen como destellos gracias a la rotación de la estrella (dándoles su apariencia de "faro"). Como han observado los físicos, estas pulsaciones son predecibles y, por lo tanto, pueden usarse de la misma manera que los relojes atómicos y el Sistema de Posicionamiento Global están aquí en la Tierra.
Si bien el objetivo principal de NICER es la ciencia, también ofrece la posibilidad de probar nuevas formas de tecnología. Por ejemplo, el instrumento se utilizará para llevar a cabo la primera demostración de navegación autónoma basada en pulsar X-ray. Como parte del Explorador de estación para la tecnología de sincronización y navegación de rayos X (SEXTANT), el equipo utilizará los telescopios de NICER para detectar los rayos de rayos X generados por los púlsares para estimar los tiempos de llegada de sus pulsos.
El equipo utilizará algoritmos diseñados específicamente para crear una solución de navegación a bordo. En el futuro, las naves espaciales interestelares podrían confiar teóricamente en esto para calcular su ubicación de forma autónoma. Esto les permitirá encontrar su camino en el espacio sin tener que depender de la Red de Espacio Profundo (DSN) de la NASA, que se considera el sistema de telecomunicaciones más sensible del mundo.
Más allá de la navegación, el proyecto NICER también espera realizar la primera prueba de la viabilidad de las comunicaciones basadas en rayos X (XCOM). Al usar rayos X para enviar y recibir datos (de la misma manera que actualmente usamos ondas de radio), la nave espacial podría transmitir datos a una velocidad de gigabits por segundo en distancias interplanetarias. Tal capacidad podría revolucionar la forma en que nos comunicamos con misiones tripuladas, rover y orbitadores.
Central para ambas demostraciones es la Fuente de rayos X modulada (MXS), que el equipo de NICER desarrolló para calibrar los detectores de la carga útil y probar los algoritmos de navegación. Al generar rayos X con una intensidad que varía rápidamente (al encender y apagar muchas veces por segundo), este dispositivo simulará las pulsaciones de una estrella de neutrones. Como Gendreau explicó:
"Este es un experimento muy interesante que estamos haciendo en la estación espacial. Hemos tenido un gran apoyo de la gente de ciencia y tecnología espacial en la sede de la NASA. Nos han ayudado a avanzar en las tecnologías que hacen posible NICER, así como las que NICER demostrará. La misión está abriendo caminos en varios niveles diferentes ".
Se espera que el MXS esté listo para enviar a la estación en algún momento del próximo año; en ese momento, podrían comenzar las demostraciones de navegación y comunicación. Y se espera que antes del 25 de julio, que marcará el 50 aniversario del descubrimiento de Bell, el equipo haya reunido suficientes datos para presentar los hallazgos en las conferencias científicas programadas para finales de este año.
Si tiene éxito, NICER podría revolucionar nuestra comprensión de cómo se comportan las estrellas de neutrones (y cómo se comporta la materia en un estado súper denso). Este conocimiento también podría ayudarnos a comprender otros misterios cosmológicos como los agujeros negros. Además de eso, las comunicaciones y la navegación por rayos X podrían revolucionar la exploración espacial y los viajes como los conocemos. Además de proporcionar mayores retornos de las misiones robóticas ubicadas más cerca de casa, también podría permitir misiones más lucrativas a ubicaciones en el Sistema Solar exterior e incluso más allá.
