Phát hiện sao neutron nặng nhất từ trước đến nay

Các nhà thiên văn khai thác Kính thiên văn Green Bank (GBT) của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kì vừa phát hiện ra ngôi sao neutron có khối lượng lớn nhất từ trước đến nay, một khám phá có sự tác động mạnh mẽ và lan tỏa rộng trên nhiều lĩnh vực vật lí và thiên văn vật lí học.

Các xung phát ra từ một sao neutron (ở phía sau) bị chậm lại khi chúng đi qua gần một sao lùn trắng ở phía trước. Hiệu ứng này cho phép các nhà thiên văn đo khối lượng của hệ. Ảnh: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF

“Sao neutron này có khối lượng gấp hai lần Mặt trời của chúng ta. Điều này thật bất ngờ, và khối lượng lớn như vậy có nghĩa là một vài mô hình lí thuyết cho thành phần cấu trúc bên trong của các sao neutron nay đã bị bác bỏ”, theo lời Paul Demorest, thuộc Đài thiên văn Vô tuyến Quốc gia (NRAO). “Phép đo khối lượng này còn có các gợi ý cho kiến thức của chúng ta về mọi vấn đề xảy ra ở những mật độ cực cao và nhiều chi tiết cụ thể của ngành vật lí hạt nhân”.

Sao neutron là “xác chết” siêu đậm đặc của các ngôi sao khối lượng lớn đã phát nổ dưới dạng sao siêu mới. Với toàn bộ khối lượng của chúng gói ghém vào một quả cầu kích cỡ chừng bằng một thành phố nhỏ, các proton và electron của chúng bị ép lại với nhau thành neutron. Một sao neutron có thể đậm đặc hơn vài ba lần so với một hạt nhân nguyên tử, và một nhúm nhỏ vật chất sao neutron sẽ nặng hơn 500 triệu tấn. Mật độ khủng khiếp này biến sao neutron thành một “phòng thí nghiệm” thiên nhiên lí tưởng để nghiên cứu các trạng thái đậm đặc nhất và kì lạ nhất của vật chất.

Các nhà khoa học đã sử dụng một hiệu ứng của thuyết tương đối rộng của Albert Einstein để đo khối lượng của sao neutron và bạn đồng hành quỹ đạo của nó, một sao lùn trắng. Sao neutron trên là một pulsar, phát ra các chùm sóng vô tuyến giống như ngọn hải đăng quét xuyên qua không gian khi nó quay tròn. Pulsar này, gọi tên là PSR J1614-2230, quay 317 vòng mỗi giây, và bạn đồng hành của nó thì hoàn tất mỗi vòng quỹ đạo trong vòng chưa tới 9 ngày. Cặp đôi trên, ở xa chừng 3000 năm ánh sáng, đang ở trong quỹ đạo nhìn hầu như nghiêng ngang khi trông từ phía Trái đất. Sự định hướng đó là điều mấu chốt để thực hiện phép đo khối lượng.

Khi quỹ đạo mang ngôi sao lùn trắng nằm ngay phía trước pulsar, thì sóng vô tuyến phát ra từ pulsar đi tới Trái đất phải truyền qua rất gần ngôi sao lùn trắng. Sự đi qua gần như vậy làm cho chúng bị trễ trong hành trình đến bởi sự biến dạng của không thời gian tạo ra bởi sức hấp dẫn của sao lùn trắng. Hiệu ứng này, gọi là sự trễ Shapiro, cho phép các nhà khoa học đo chính xác khối lượng của cả hai ngôi sao.

“Chúng tôi rất may mắn với hệ này. Pulsar đang quay nhanh cho chúng tôi một tín hiệu để theo dõi trên suốt quỹ đạo, và quỹ đạo đó hầu như hoàn toàn nhìn ngang. Ngoài ra, ngôi sao lùn trắng đặc biệt có khối lượng lớn đối với một ngôi sao thuộc loại này. Sự kết hợp độc nhất vô nhị này là cho sự trễ Shapiro mạnh hơn nhiều và do đó dễ đo hơn”, phát biểu của Scott Ransom thuộc NRAO.

Các nhà thiên văn đã sử dụng một thiết bị kĩ thuật số mới chế tạo gọi là Thiết bị Xử lí Pulsar Tối hậu Green Bank (GUPPI), gắn trên GBT, để theo dõi các sao đôi trong một vòng quỹ đạo hoàn chỉnh hồi đầu năm nay. Việc sử dụng GUPPI đã cải thiện khả năng của các nhà thiên văn đo thời gian tín hiệu phát ra từ pulsar đến vài bậc độ lớn.

Các nhà thiên văn trông đợi sao neutron trên có khối lượng gấp rưỡi Mặt trời. Nhưng quan sát của họ cho biết nó có khối lượng gấp hai lần Mặt trời. Khối lượng lớn như thế làm thay đổi kiến thức của họ về thành phần của sao neutron. Một số mô hình lí thuyết cho rằng, ngoài các neutron ra, các ngôi sao như vậy còn chứa những hạt hạ nguyên tử kì lạ khác gọi là các hyperon hay các ngưng tụ của kaon.

“Kết quả của chúng tôi bác bỏ những ý tưởng đó”, Ransom nói.

Demorest và Ransom, cùng với Tim Pennucci ở trường đại học Virginia, Mallory Roberts thuộc Eureka Scientific, và Jason Hessels ở Viện Thiên văn học vô tuyến Hà Lan và đại học Amsterdam, đã công bố các kết quả của họ trong số ra ngày 28/10 của tạp chí khoa học Nature.

Kết quả của họ có những gợi ý khác, trình bày trong một bài báo khác theo kế hoạch sẽ công bố trong tạp chí Astrophysical Journal Letters. “Phép đo này cho chúng ta biết rằng nếu bất kì quark nào có mặt trong lõi một sao neutron, thì chúng không thể ‘tự do’ mà phải tương tác mạnh với nhau như chúng vốn như vậy trong các hạt nhân nguyên tử thông thường”, phát biểu của Feryal Ozel thuộc trường đại học Arizona, tác giả đứng đầu của bài báo thứ hai vừa nói.

Tác động khoa học của các quan sát GBT mới còn vươn rộng sang những lĩnh vực khác ngoài việc mô tả đặc trưng vật chất ở các mật độ cực độ. Một lời giải thích hàng đầu cho nguyên nhân gây ra một loại vụ nổ tia gamma – những vụ nổ “ngắn hạn” – là do các sao neutron đang va chạm chau. Thựt tế các sao neutron có thể nặng như PSR J1614-2230 biến đây thành một cơ chế hợp lí cho những vụ nổ tia gamma này.

Người ta còn kì vọng các vụ va chạm sao neutorn như vậy phát ra sóng hấp dẫn, vốn là mục tiêu của một số đài thiên văn ở Mĩ và châu Âu. Những sóng này, theo lời các nhà khoa học, sẽ mang đến thêm thông tin có giá trị về thành phần của sao neutron.

“Nói chung, các pulsar mang lại cho chúng ta một cơ hội lớn để nghiên cứu nền vật lí kì lạ, và hệ này là một phòng thí nghiệm vô cùng to lớn nằm ở ngoài kia, cung cấp cho chúng ta thông tin có giá trị với những hàm ý rộng”, Ransom giải thích. “Cái khiến tôi bất ngờ là một con số đơn giản – khối lượng của sao neutron này – lại có thể cho chúng ta biết nhiều như vậy về nhiều phương diện khác nhau của vật lí học và thiên văn học”.

Nguồn: PhysOrg.com