Pulsar có phải là những nam châm neutron khổng lồ?

Các pulsar ra đời khi một ngôi sao co lại để hình thành một sao neutron trong đó moment từ của các neutron bị đóng băng theo một chiều nhất định – giống hệt như các moment nguyên tử trong một nam châm vĩnh cửu. Đó là khẳng định của hai nhà vật lí ở Thụy Điển, họ tin rằng lí thuyết của họ có thể giải thích cho nhiều tính chất khó lí giải của những vật thể thiên văn kì lạ này.

Được phát hiện ra lần đầu tiên vào năm 1967, pulsar là những vật thể thiên văn phát xa những xung bức xạ có nhịp đều đến bất ngờ. Các nhà thiên văn tin rằng pulsar là những sao neutron đang quay nhanh có từ trường rất lớn. Giống hệt như Trái đất, người ta tin rằng moment lưỡng cực từ của ngôi sao lệch với trục quay của nó. Những dòng bức xạ phát ra từ ngôi sao đi theo phương của các cực từ của nó. Vì ngôi sao đang quay xung quanh một trục khác, nên dòng bức xạ quét qua giống như một chùm ánh sáng hải đăng xuất hiện dưới dạng một xung đều đặn nếu nó đi tới Trái đất.

Ảnh quan sát ghép trong nhiều tháng của pulsar Con cua. (Ảnh: NASA/CXC/ASU/J Hester et al., HST/ASU/J Hester et al.)

Tuy nhiên, ngoài sự mô tả cơ bản này, người ta ít biết về tính chất vật lí của các pulsar và chúng đã hình thành như thế nào. Một câu hỏi quan trọng là nguồn gốc của từ trường đó, nó có thể biến thiên từ khoảng 10⁴ đến 10¹¹ T. Giá trị đó là khổng lồ so với từ trường của Mặt trời, khoảng 100 µT. Hơn nữa, bản chất đều đặn của các xung bức xạ đề xuất rằng từ trường của một pulsar phải cực kì ổn định. Trái lại, từ trường của Mặt trời là hết sức không ổn định vì nó được tạo ra bởi chuyển động quay của plasma của ngôi sao, mà không đó là rất mất ổn định.

Lực hạt nhân thích sắp thẳng hàng

“Chẳng có lời giải thích êm xuôi nào cho cách thức từ trường đó được tạo ra,” phát biểu của Johan Hansson thuộc trường Đại học Công nghệ Lulea, người đưa ra lí thuyết mới nhất này cùng với người đồng nghiệp Anna Ponga. Hansson và Ponga đề xuất rằng moment từ của tất cả các neutron trong ngôi sao hướng theo cùng một chiều ở một trạng thái của vật chất gọi là “neutromagnet” [tạm dịch: nam châm neutron]. Trạng thái này giống với sự sắp thẳng hàng của các moment từ nguyên tử của vật liệu sắt từ. Các nhà nghiên cứu trình bày rằng lực hạt nhân liên kết các proton và neutron lại với nhau trong hạt nhân vốn thích sự sắp thẳng hàng của các spin – một hiệu ứng theo họ có thể được tăng cường trong sao neutron, nơi các neutron bị nén lại với nhau chặt hơn nữa.

Hansson và Ponga giả sử rằng năng lượng thu được bởi hai neutron bằng cách sắp spin của chúng thẳng theo một chiều là khoảng 10% tổng năng lượng liên kết của cặp. Năng lượng này mang lại nhiệt độ Curie – dưới nhiệt độ đó tất cả các neutron trong ngôi sao sắp thẳng hàng thành một nam châm khổng lồ - vào khoảng 10¹⁰ K.

Vì các sao neutron dường như đều có cùng khối lượng, nên từ trường cực đại có thể là khoảng 10¹² T. Từ trường này sẽ xuất hiện khi tất cả các neutron sắp thẳng theo cùng một chiều. Tuy nhiên, giống hệt như trong những nam châm hàng ngày, có khả năng những vùng khác nhau của ngôi sao có những domain neutron – với mỗi domain hướng theo một chiều khác nhau. Điều này sẽ làm giảm từ trường toàn phần và có thể lí giải tại sao một số sao neutron có từ trường nhỏ hơn nhiều. Theo Hansson, giá trị cực đại này của từ trường mang lại cho các nhà thiên văn một phương pháp đơn giản chứng minh lí thuyết trên.

Moment bị đóng băng

Hansson cho biết mô hình của họ cũng giải thích được sự không thẳng hàng cố định giữa moment từ và trụ quay của một pulsar. “Sự định hướng của từ trường được xác lập bởi hướng của từ trường của ngôi sao ở thời điểm nó co lại để hình thành sao neutron,” ông giải thích. “Hướng đó sau đó bị ‘đóng băng’ bởi lực hạt nhân”.

Tuy nhiên, không phải nhà thiên văn nào cũng bị thuyết phục. “Tôi không khẳng định ‘cách lí giải’ hiện nay đó là hoàn chỉnh hay không có mâu thuẫn –vấn đề đó rất khó – nhưng tôi tin rằng quan điểm trình bày trong bài báo này không hẳn tốt như các mô hình thông thường,” phát biểu của Michael Kramer thuộc trường Đại học Manchester ở Anh.

Nghiên cứu được mô tả trên arXiv:1111.3434.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp