Bước tiến trong nghiên cứu thông tin bên trong sao neutron hàng xóm

Sao neutron là một trong những vật thể cực đoan nhất vũ trụ

Được hình thành từ lõi sụp đổ của các ngôi sao siêu khổng lồ, sao neutron nặng hơn Mặt trời của chúng ta nhưng vẫn bị nén thành một quả cầu có kích thước tương đương một thành phố.

Lõi dày đặc của những ngôi sao kỳ lạ này chứa vật chất bị nén thành những trạng thái độc nhất mà chúng ta không thể tái tạo trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu chúng. Đó là lý do tại sao NASA đang thực hiện sứ mệnh nghiên cứu các sao neutron và tìm hiểu về cơ chế vật lý chi phối vật chất bên trong chúng.

Daniel Reardon, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về thời gian xung và sóng hấp dẫn, Đại học Công nghệ Swinburne và các đồng nghiệp đã và đang giúp đỡ NASA trong sứ mệnh này. Họ đã sử dụng tín hiệu vô tuyến từ một ngôi sao neutron quay nhanh để đo khối lượng của nó. Điều này cho phép các nhà khoa học đang làm việc với dữ liệu của NASA có thể đo bán kính của ngôi sao, từ đó tìm ra thông tin chính xác nhất về vật chất kỳ lạ bên trong.

Bên trong sao neutron có gì?

Vật chất trong lõi của sao neutron thậm chí còn đậm đặc hơn hạt nhân nguyên tử. Là dạng vật chất ổn định đặc nhất trong vũ trụ, nó bị nén đến tới hạn và có nguy cơ sụp đổ thành một lỗ đen.

Hiểu cơ chế hoạt động của vật chất trong những điều kiện này là một bài kiểm tra quan trọng đối với các lý thuyết vật lý cơ bản của chúng ta.

Sứ mệnh Khám phá Thành phần bên trong sao neutron (NICER) của NASA đang cố gắng giải quyết những bí ẩn của vật chất cực đoan này.

Nhân vật chính trong NICER là kính viễn vọng tia X trên Trạm vũ trụ quốc tế. Nó phát hiện tia X phát ra từ các điểm nóng trên bề mặt sao neutron, nơi nhiệt độ có thể lên tới hàng triệu độ.

Các nhà khoa học lập mô hình thời gian và năng lượng của những tia X mà họ thu thập được để lập bản đồ các điểm nóng và xác định khối lượng cũng như kích thước của sao neutron.

Biết được mối liên hệ giữa kích thước với khối lượng của sao neutron sẽ tiết lộ “trạng thái cân bằng” của vật chất trong lõi của nó. Điều này cho các nhà khoa học biết sao neutron “có thể nén” đến mức như thế nào và từ đó suy đoán nó được làm từ gì.

Một trạng thái cân bằng lỏng hơn sẽ gợi ý rằng các neutron trong lõi đang vỡ ra thành một hỗn hợp kỳ lạ gồm các hạt nhỏ hơn. Một trạng thái cân bằng đặc hơn có thể có nghĩa là các neutron dính chặt hơn, dẫn đến các sao neutron lớn hơn.

Trạng thái cân bằng cũng chỉ ra cách thức và thời điểm các sao neutron bị xé toạc khi chúng va chạm.

Giải quyết bí ẩn với sao neutron hàng xóm

Một trong những mục tiêu chính của NICER là sao neutron có tên PSR J0437-4715, là sao xung mili giây gần nhất và sáng nhất.

Pulsar là một sao neutron phát ra các chùm sóng vô tuyến mà chúng ta quan sát được dưới dạng xung mỗi khi sao neutron quay.

Sao xung đặc biệt này quay 173 lần mỗi giây (nhanh như máy xay sinh tố). Nhóm của Reardon đã quan sát nó trong gần 30 năm qua với kính viễn vọng vô tuyến Murriyang ở New South Wales (Úc).

Nhóm làm việc với dữ liệu NICER đã phải đối mặt với một thách thức đối với sao xung này. Tia X đến từ một thiên hà gần đó đã gây khó khăn cho việc mô hình hóa chính xác các điểm nóng trên bề mặt sao neutron.

May mắn thay, nhóm của Reardon có thể sử dụng sóng vô tuyến để tìm ra phép đo độc lập về khối lượng của ẩn tinh. Nếu không có thông tin quan trọng này, các nhà nghiên cứu sẽ không thể tính được khối lượng chính xác.

Việc cân một ngôi sao neutron chỉ là vấn đề thời gian

Để đo khối lượng của sao neutron, chúng ta dựa vào một hiệu ứng được mô tả bởi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, gọi là độ trễ Shapiro.

Những vật thể có khối lượng lớn và đặc mà trong trường hợp này là ngôi sao đồng hành của PSR J0437-4715 trong hệ sao đôi. Ngôi sao đồng hành này là một sao lùn trắng có thể uốn cong không gian và thời gian. PSR J0437-4715 và “người bạn đồng hành” trong hệ sao đôi quay quanh nhau 5,74 ngày một lần.

Khi các xung từ sao xung truyền đến chúng ta qua không thời gian bị nén xung quanh sao lùn trắng, chúng bị trễ vài phần triệu giây.

Những độ trễ micro giây từ các ẩn tinh kiểu như PSR J0437-4715 rất dễ đo đạc bằng kính viễn vọng Murriyang. May thay cho nhóm của Reardon, sao xung này và một số sao xung mili giây khác vốn được quan sát thường xuyên bởi dự án Mảng thời gian Parkes Pulsar. Đây là dự án sử dụng các sao xung này để phát hiện sóng hấp dẫn. Do vậy, nhóm của Reardon có sẵn dữ liệu để tổng hợp xử lý

Vì PSR J0437-4715 tương đối gần chúng ta nên quỹ đạo của nó dường như chao đảo một chút theo góc nhìn từ Trái đất trong khi Trái đất di chuyển quanh Mặt trời. Sự dao động này cho chúng ta biết thêm chi tiết về hình dạng của quỹ đạo. Các nhà khoa học đã sử dụng chi tiết này cùng với độ trễ Shapiro để tìm khối lượng của sao lùn trắng đồng hành và sao PSR J0437-4715.

Khối lượng và kích thước của PSR J0437-4715

Nhóm của Reardon tính toán rằng khối lượng của sao xung PSR J0437-4715 thuộc nhóm phổ biến trong thế giới neutron, có khối lượng gấp 1,42 lần Mặt trời. Nhưng điều quan trọng là xác định kích thước của ẩn tinh này cũng phải bằng kích thước của một sao neutron điển hình.

Các nhà khoa học làm việc với dữ liệu của NICER sau đó có thể xác định hình dạng của các điểm nóng tia X và tính toán rằng bán kính của sao neutron là 11,4 km. Những kết quả này đưa ra điểm neo chính xác nhất từng được tìm thấy cho trạng thái cân bằng của sao neutron. Theo tính toán, sao xung PSR J0437-4715 đang duy trì mật độ vật chất ở khoảng trung gian, không quá lỏng và cũng không quá đặc.

Các nhà khoa học sẽ tiếp tục giải mã chính xác điều này có ý nghĩa gì đối với sự hiện diện của vật chất lạ trong lõi bên trong của các sao neutron. Các lý thuyết cho thấy “vật chất lạ” có thể gồm các quark đã thoát ra khỏi nơi trú ngụ bình thường của chúng bên trong các hạt lớn hơn hoặc các hạt hiếm được gọi là hyperon.

Dữ liệu mới này bổ sung vào một mô hình mới xuất hiện gần đây mô tả bên trong sao neutron. Mô hình này dựa trên thông tin có được bằng các quan sát sóng hấp dẫn từ các sao neutron va chạm và một vụ nổ siêu tân tinh liên quan gọi là kilonova.

Murriyang có thời gian dài thực hiện việc hỗ trợ các sứ mệnh của NASA và rất nổi tiếng khi được chọn làm thiết bị thu chính trong hầu hết các cảnh quay khi con người đổ bộ lên Mặt trăng theo sứ mệnh Apollo 11.

Giờ đây, nhóm của Reardon đã sử dụng chiếc kính thiên văn mang tính biểu tượng này để suy đoán, diễn giải tính chất vật lý của bên trong sao neutron, nâng cao hiểu biết cơ bản của chúng ta về vũ trụ.

Anh Tú