Sao neutron có lõi siêu chảy

Ảnh ghép quang học/tia X của Cassiopeia A cho thấy vị trí của ngôi sao neutron của nó (ảnh chính). Khung ảnh nhỏ thể hiện ảnh minh họa các lớp của ngôi sao neutron trên. (Ảnh: NASA/CXC/UNAM/Ioffe/D Page, P Shternin)

Theo hai nhóm nhà khoa học độc lập nhau, các sao neutron sẽ biểu hiện tính siêu chảy lẫn siêu dẫn. Các nhà khoa học trên đã nghiên cứu ngôi sao neutron trong tàn dư sao siêu mới tên là Cassiopeia A, và nhận thấy lõi của nó sẽ tồn tại ở một trạng thái siêu chảy ở nhiệt độ lên tới chừng một tỉ Kelvin, trái với nhiệt độ gần không độ tuyệt đối cần thiết cho sự siêu chảy trên Trái đất.

Sao neutron là những vật thể cực kì đậm đặc hình thành khi những ngôi sao khối lượng lớn đã cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân và tự co lại. Áp suất cực lớn bên trong ngôi sao nén hầu như toàn bộ proton và electron lại với nhau thành neutron. Các nhà thiên văn vật lí muốn biết nhiều hơn về tính chất của loại vật chất cực kì đậm đặc này, và một phương thức để biết là nghiên cứu xem sao neutron nguội đi như thế nào. Vật thể nằm gần tâm của Cassiopeia A, cách xa chúng ta khoảng 11.000 năm ánh sáng, đặc biệt thích hợp cho một nghiên cứu như vậy vì, không giống như những vật thể khác, nó có tuổi đã được biết rõ – khoảng 330 năm – và nhiệt độ bề mặt đã biết rõ – chừng 2 triệu Kelvin.

Hồi năm ngoái, Craig Heinke thuộc trường Đại học Alberta ở Canada và Wynn Ho thuộc trường Đại học Southampton ở Anh đã phân tích 10 năm dữ liệu tia X quý giá từ vệ tinh Chandra của NASA và nhận thấy nhiệt độ bề mặt của sao neutron Cassiopeia A giảm đi nhanh hơn so với trông đợi – từ năm 2000 đến 2009, nó giảm khoảng 4%.

Các cặp Cooper và neutrino

Trong công trình hiện tại, các nhóm đứng đầu bởi Dany Page thuộc trường Đại học Tự trị Quốc gia ở Mexico và Peter Shternin thuộc Viện Ioffe ở St Petersburg, Nga, cho biết sự nguội đi nhanh chóng như thế này có thể giải thích phần nào bằng cách viện dẫn trạng thái không nhớt của vật chất gọi là sự siêu chảy. Họ cho rằng khi nhiệt độ của một ngôi sao neutron giảm xuống dưới một giá trị nhất định, thì nó trở nên thích hợp về mặt năng lượng cho các neutron bên trong ngôi sao hình thành nên các cặp Cooper – đơn vị cơ bản của trạng thái siêu chảy – và năng lượng giải phóng có thể dễ dàng thoát khỏi ngôi sao dưới dạng neutrino.

Nhưng hai nhóm nghiên cứu nhận thấy cơ chế này không thể giải thích cho toàn bộ sự nguội đi, và độc lập nhau, họ kết luận rằng sự siêu dẫn cũng phải có vai trò nào đó. Họ cho biết rằng không bao lâu sau sự hình thành của ngôi sao neutron trên, các proton sẽ kết hợp lại để tạo thành các cặp Cooper, từ đó tạo ra trạng thái siêu dẫn bởi tác dụng của điện tích của chúng. Kết hợp với nhau theo kiểu này, các proton sẽ không thể tham gia vào những phản ứng phát xạ neutrino xảy ra trong vật chất không-siêu chảy, làm quá trình nguội chậm lại ngay trong giai đoạn đầu của cuộc đời của ngôi sao và dẫn tới sự giảm nhanh nhiệt độ sau đó.

Tuy nhiên, còn có những giải thích khác ngoài giả thuyết siêu chảy/siêu dẫn, thí dụ như ý tưởng rằng sự nguội đi nhanh chóng đơn giản là hệ quả tự nhiên của sự nóng lên tức thời tạo ra bởi một vụ va chạm tiểu hành tinh. Việc bác bỏ ý tưởng này và những ý tưởng khác sẽ đòi hỏi thêm dữ liệu từ phía Chandra – với sự gia tăng sau đó về nhiệt độ cho thấy ngôi sao trên thật ra có thể đang trải qua những cú va chạm tiểu hành tinh, trong khi sự tiếp tục nguội đi thì ủng hộ cho lí thuyết của nhóm Page và nhóm Shternin.

Chất siêu dẫn nhiệt độ cực cao

Nếu mô hình mới này là đúng thì, như Wynn Ho, người đồng thời là thành viên của nhóm Shternin, cho biết, các sao neutron có khả năng đang chứa bên trong những chất siêu chảy và chất siêu dẫn nóng nhất trong vũ trụ. Thật vậy, đội của Shternin đã tính được rằng sao neutron Cassiopeia A sẽ biểu hiện sự siêu chảy khi nhiệt độ của nó giảm xuống dưới khoảng 800 triệu Kelvin và sự siêu dẫn proton có thể xảy ra ở nhiệt độ tới 2-3 tỉ Kelvin. Trong khi đó, Page cùng các đồng sự tính được nhiệt độ chuyển tiếp siêu chảy đó vào khoảng chừng 500 triệu Kelvin.

Những con số này trái ngược hẳn với 130 Kelvin là nhiệt độ cao nhất mà tại đó một chất liệu trên Trái đất được tìm thấy là siêu dẫn. Nhưng Ho cảnh báo rằng chúng ta không thể suy luận bất kì gợi ý thực tiễn nào từ các sao neutron, vì rằng tỉ trọng cực cao của những vật thể này có nghĩa là các hạt bị nén rất chặt và vì thế tác dụng qua lực hạt nhân mạnh, còn sự siêu chảy và sự siêu dẫn trên Trái đất được trung chuyển bởi lực điện tử, yếu hơn nhiều, và khác về căn bản.

Tuy nhiên, Ho thật sự tin rằng nghiên cứu mới nhất trên có thể dẫn tới sự hiểu biết tốt hơn về bản thân lực mạnh. Quan điểm này được chia sẻ bởi Fridolin Weber thuộc trường Đại học Bang San Diego ở Mĩ, người chẳng phải là thành viên của nhóm nào trong hai nhóm trên, và là người cho rằng nghiên cứu trên là “không thể thiếu trong việc cải thiện kiến thức của chúng ta về những tính chất còn được hiểu biết nghèo nàn của vật chất cực kì đậm đặc”. Trong khi đó, Marcello Baldo tại trường Đại học Catania ở Italy cho biết sự mới mẻ của việc có thể kiểm tra mô hình siêu chảy dựa trên các quan sát trong tương lai. “Đây là một khả năng tuyệt vời”, ông nói, “điều đó chưa bao giờ xảy ra trước đây trong lĩnh vực này”.

Nguồn: Edwin Cartlidge (physicsworld.com)