Hai nghiên cứu độc lập gần đây đã xác định được giới hạn mới về kích thước của sao neutron, theo đó một sao neutron có bán kính không quá 14 km. Con số này lớn hơn một chút so với ước tính trước đó, điều đó gợi ý rằng các sao neutron có thể không đến mức kỳ lạ như suy nghĩ trước đây.
Các sao neutron là tàn dư rất đặc của các sao chết sau những vụ nổ supernova. Trong phạm vi bán kính rất nhỏ, nó có khối lượng tương đương với 1,4 lần Mặt Trời (hoặc hơn). Mật độ và áp suất cực lớn của nó nén các electron vào hạt nhân của nguyên tử và kết hợp với proton trong đó để tạo thành neutron. Một sao neutron do đó có thành phần hầu hết là neutron. Nhưng cũng có khả năng là ở lõi của chúng, áp suất quá lớn khiến neutron bị vỡ ra thành các hạt nhỏ hơn mà chúng ta gọi là các quark.
Nhà vật lý thiên văn Feryal Özel ở Đại học Arizona đã giải thích rằng đối với các sao neutron thì kích thước thực sự quan trọng - sao càng nhỏ thì mật độ ở lõi càng cao. Các phép đo trước đây đã chỉ ra rằng bán kính tối đa của một sao neutron là khoảng 10 đến 11 km. Nghe thì có vẻ không khác biệt quá nhiều so với 14 km, nhưng nó đủ để khiến mật độ ở lõi sao lớn gấp hơn 2 lần.
Kích thước giới hạn mới xác định được của các sao neutron được dựa trên việc phát hiện ra sóng hấp dẫn phát ra từ sự sáp nhập của một cặp sao neutron cách chúng ta 130 triệu năm ánh sáng bởi hai đài quan sát LIGO và Virgo ngày 17 tháng 8 năm 2017. Các vật thể rất nặng như các lỗ đen và sao neutron gây ra những gợn sóng của không-thời gian khi chúng chuyển động. Sóng hấp dẫn được quan sát từ vụ va chạm sao neutron có giá trị đối với các nhà khoa học như một tín hiệu thăm dò cấu trúc của chúng.
Mặc dù hai nghiên cứu mới đây sử dụng hai cách tiếp cận khác nhau, họ đã tính ra gần như cùng một kích thước tối đa của các sao neutron. Nhóm nghiên cứu của Eemeli Annala ở Đại học Helsinki (Phần Lan) tính ra giới hạn này là 13,6 km; trong khi đó Farrukh J. Fattoyev ở Đại học Indiana (Mỹ) và các đồng nghiệp tính ra con số là 13,76 km.
Trong phòng thí nghiệm
Với mật độ cực lớn của các sao neutron, các nhà thiên văn học không thể chắc chắn điều gì xảy ra bên trong của chúng. Một số ý tưởng của họ dựa trên vật lý hạt nhân, trong khi vật chất quark lại dựa trên vật lý năng lượng cao. Những cách tiếp cận khác nhau có thể dẫn tới những sự đoán khác nhau về cấu trúc trong của các sao neutron.
Các thí nghiệm thực hiện ở máy gia tốc LHC tại CERN và máy RHIC của Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Mỹ) đã gợi ý về những gì có thể có bên trong lõi của một sao neutron. Các nhà nghiên cứu tại các cơ sở này đã gia tốc cho các ion lên tới vận tốc gần với ánh sáng để tạo ra nhiệt độ đủ lớn phá vỡ các proton và neutron thành plasma quark-gluon.
"Những va chạm này tạo ra những mảnh vật chất nhỏ như các ion và đặc đến mức phá hủy cấu trúc của proton và neutron, và chúng tôi có được một mảu nhỏ của vật chất quark trong một khoảnh khắc ngắn ngủi," nhà vật lý Aleksi Kurkela ở CERN và là đồng tác giả trong nghiên cứu của Annala cho biết. "Chúng tôi nghĩ rằng plasma quark-gluon này gần giống như vật chất quark mà chúng ta có thể thấy ở lõi các sao neutron. Bằng cách nghiên cứu đặc tính của plasma quark-gluon, chúng tôi cố gắng tìm hiểu và suy luận ra những gì xảy ra trong lõi của sao neutron."
Nếu các sao neutron tạo ra quark ở trung tâm của chúng, chúng có thể xuất hiện một sự chuyển pha. "Chúng tôi có thể quan sát các sao neutron với khối lượng tương tự nhưng bán kính khác nhau rõ rệt," Kurkela giải thích. "Nó sẽ cho thấy là sao neutron với bán kính lớn hơn được tạo thành từ vật chất cứng hơn, cụ thể là neutron. Còn sao neutron nhỏ hơn ít nhất sẽ có lõi cấu tạo từ vật chất mềm hơn, có thể là vật chất quark."
Trên thực tế, một số quan sát của LIGO không khớp với những gì các nhà khoa học dự đoán trên lý thuyết trước đây, đặc biệt là những gì liên quan tới vật chất bên trong các sao neutron, Kurkela nói.
Từ hình dạng đến kích thước
Khi hai sao neutron chuyển động quanh nhau, trường hấp dẫn của mỗi thiên thể trong số chúng gây ra lực triều tác động lên đồng hành của mình: Hấp dẫn kéo mạnh hơn ở phía hướng về đồng hành so với phía bên kia. Kết quả là cả hai sao neutron bị kéo giãn và biến dạng thành hình giống như quả bóng bầu dục - Kurkela giải thích.
Hình dạng của các sao neutron cho thấy thành phần của chúng, Nếu vật chất bên trọng sao neutron là loại vật chất mềm (gồm cả quark và neutron), LIGO sẽ thấy nó bị biến dạng, Nhưng các quan sát của LIGO không khớp với lý thuyết đó. Thay vào đó, nó cho thấy các sao neutron giống như những quả cầu rất rắn chắc, ngay cả khi chúng sáp nhập với nhau, điều đó có nghĩa là lõi của chúng chỉ có neutron. Kết quả này giúp các nhà nghiên cứu loại từ khả năng tồn tại của quark bên trong các sao neutron.
Các nhà khoa học sẽ cần thêm nhiều quan sát sóng hấp dẫn nữa để xác nhận quan sát của LIGO. Hơn thế nữa, vì những vụ va chạm sao neutron không chỉ gây ra sóng hấp dẫn mà còn phát ra ánh sáng, các nhà khoa học hi vọng sẽ có thêm thông tin về cấu tạo của chúng qua những quan sát ở dải tia X, chẳng hạn như qua việc sử dụng thiết bị thăm dò thành phần trong của sao neutron (NICER) đặt trên trạm ISS.
Bryan
Theo Sky&Telescope
