Giả thuyết neutron hình lập phương

Những quả cam ở dưới cùng có thể hơi bị méo, nhưng dưới áp suất đủ cao, các neutron bên trong sao neutron cũng bị nén giống hệt như thế thành những hình lập phương. (Ảnh: iStockphoto.com/bendzhik)

Trên Trái đất này, neutron và proton có thể xuất hiện dưới dạng cầu khá hoàn chỉnh, nhưng hai nhà vật lí ở Tây Ban Nha và Đức vừa đề xuất rằng, nếu bị nén dưới áp suất đủ lớn, những hạt hạ nguyên tử này có thể tự ép chúng thành hình lập phương. Mặc dù tính cho đến không có bằng chứng nào thu được cho những neutron lập phương như vậy, nhưng một một sao neutron đang quay – hay “pulsar” – với khối lượng gấp đôi Mặt trời của chúng ta.

Sao neutron ra đời khi một ngôi sao phát nổ trong một sự kiện sao siêu mới dữ dội, làm rơi vãi đa phần vật chất của nó và buộc 80-90% khối lượng còn lại của ngôi sao tự co lại. Nếu ngôi sao còn sót lại đó gấp 2,5 lần khối lượng Mặt trời, thì nó có thể co lại hoàn toàn, tạo thành một lỗ đen. Nhưng những ngôi sao nhẹ hơn thì dần trở nên ổn định, nén ép 1,3 – 2 lần khối lượng Mặt trời vào một quả cầu cỡ bằng một thành phố với bán kính chỉ 11 – 12 km. Những ngôi sao này đặc đến mức áp suất hấp dẫn buộc các electtron trong nguyên tử hợp nhất với proton – tạo thành các neutron. Phần lõi của ngôi sao cuối cùng gồm chủ yếu là neutron, vì thế có tên gọi là “sao neutron”.

Tuy nhiên, Felipe Llanes-Estrada, người đang nghỉ phép tại trường Đại học Kĩ thuật Munich, và Gaspar Moreno Navarro thuộc trường Đại học Madrid, cho biết nếu áp suất bên trong đủ cao, thì các sao neutron có thể bị nén thành hình lập phương. Khi đó, chúng có thể nén chặt hơn, làm giảm thể tích toàn phần của chúng đi thêm 24%. “Nó giống việc xếp chồng những quả cam trong siêu thị - những quả ở bên dưới hơi bị méo do sức nặng của những quả ở trên”, Llanes-Estrada nói.

Theo tính toán của hai nhà nghiên cứu trên, các neutron sẽ trở thành dạng lập phương hoàn toàn ở mật độ chừng 10¹⁵ gam/cm³, tương đương với mật độ năng lượng 500 megaelectronvolt/femto mét khối (MeV/fm³). Mặc dù lõi của đa số sao neutron có mật độ nhỏ hơn thế, nhưng một pulsar nặng mới phát hiện hồi năm ngoái có vùng trung tâm vượt quá mật độ trên đến hai lần, theo Llanes-Estrada – nghĩa là nó có khả năng chứa các neutron lập phương.

Khám phá ra pulsar trên là chuyện bất ngờ đối với các nhà thiên văn học, trước đây họ không nghĩ sao neutron có thể to như vậy. Nhưng, ngay của những sao neutron “bình thường” cũng có khả năng chứa một phần những neutron lập phương, bắt đầu ở mật độ năng lượng 140 MeV/fm³. Paul Demorest thuộc Đài thiên văn vô tuyến quốc gia ở Charlottesville, Virginia, người là một thành viên của đội đã phát hiện ra pulsar nặng, cho biết tính nén được bổ sung sẽ cho phép những sao neutron nặng thu được những mật độ lớn hơn. Theo Demorest, cái khó là vấn đề này “có xu hướng làm giảm khối lượng neutron tối đa được phép”.

Llanes-Estrada hiểu vấn đề này; đó là sự tăng mật độ sẽ biến pulsar mới thành một lỗ đen trừ khi có cái gì đó khác đẩy trở ra. Tuy nhiên, ông đề xuất rằng những tương tác còn ít ai hiểu giữa những neutron có thể đủ mạnh để thắng lực hấp dẫn và ngăn chặn sự co lại.

Kai Hebeler thuộc trường Đại học Ohio ở Columbia nêu ra một lưu ý cảnh giác về mô phỏng trên. Ông cho biết thay vì đào sâu vào sự tương tác phức tạp của các quark và gluon bên trong nó, nghiên cứu trên lại lập mô hình neutron như thể nó là một cái túi chứa quark. Tuy nhiên, trong khi ước tính này bị hạn chế, Hebeler vẫn thấy mô hình của đội nghiên cứu trên là hợp lí. Tuy nhiên, môi trường cực đoan của phần lõi sao neutron có thể làm cho các nhân dạng cơ lượng tử của các neutron hòa lẫn vào nhau, cho nên ông tự hỏi việc nhận dạng ra những hình dạng hình học của chúng là có thích đáng hay không, mặc dù ông thừa nhận rằng ông không thể đưa ra một “phát biểu chắc chắn” về vấn đề trên.

Các nhà nghiên cứu đã có hai ý tưởng cho phương pháp tìm kiếm bằng chứng của neutron dạng lập phương trong pulsar mới trên. Khi một mảng của sao neutron chuyển sang mạng lập phương kết tinh cứng hơn trông đợi, các nhà địa chất học sao có thể tìm kiếm những cơn chấn sao tạo ra những loại sóng chạy qua chất rắn chứ không qua chất lỏng. Một lựa chọn khác xây dựng trên thực tế là các sao neutron quay thỉnh thoảng chậm đi hoặc tăng tốc đột ngột, trong một sự kiện gọi là “chập chờn”. Các nhà nghiên cứu nói rằng những sự chập chờn như vậy có thể cho biết một sự thay đổi ở cách thức những lớp khác nhau của ngôi sao đó tương tác – có lẽ gợi ý đến những neutron đang đi vào hoặc ra khỏi những cấu hình lập phương nếu chúng xảy ra trong pulsar nặng.

Nguồn: physicsworld.com