Sao neutron là gì?

Sao neutron là tàn dư của các sao đồ sộ đã chết trong một vụ nổ nảy lửa gọi là siêu tân tinh. Sau một cú nổ văng ra như thế, lõi của các sao này co lại thành một vật thể cực kì đậm đặc với khối lượng bằng Mặt Trời ép vào một quả cầu kích cỡ bằng một thành phố.

Ảnh minh họa 3D của một sao neutron trong tinh vân.

Sao neutron ra đời như thế nào?

Các sao bình thường giữ được hình dạng cầu của chúng do lực hấp dẫn mạnh từ khối lượng khổng lồ của chúng cố hút chất khí của chúng về một điểm trung tâm, nhưng lực hút này được cân bằng bởi năng lượng từ sự hợp hạch trong lõi của chúng, tác dụng một áp suất hướng ra. Vào cuối cuộc đời của chúng, các sao nặng chừng bốn đến tám lần khối lượng Mặt Trời đã đốt hết nhiên liệu sẵn có của chúng và các phản ứng hợp hạch bên trong chúng dừng lại. Các lớp ngoài của ngôi sao co nhanh vào trong, bật trúng lớp nhân dày và thổi tung ra dưới dạng một siêu tân tinh dữ dội.

Thế nhưng cái lõi đậm đặc tiếp tục co lại, tạo ra áp suất cao đến mức proton và electron bị ép lại thành neutron, đồng thời các hạt khối lượng nhỏ gọi là neutrino thoát ra vũ trụ xa xôi. Kết quả cuối cùng là một ngôi sao có khối lượng gồm 90% neutron, chúng không thể nào nén chặt hơn nữa, và do đó sao neutron không thể sụp đổ thêm.

Các đặc trưng của sao neutron

Các nhà thiên văn lần đầu tiên nêu lí thuyết về sự tồn tại của những thực thể sao kì lạ này vào thập niên 1930, không bao lâu sau khi neutron được khám phá. Nhưng mãi đến năm 1967 thì các nhà khoa học mới có bằng chứng tốt cho sao neutron trên thực tế. Một sinh viên ra trường tên là Jocelyn Bell tại Đại học Cambridge ở Anh để ý thấy các xung kì lạ trong kính thiên văn vô tuyến của cô, chúng đến đều đặn đến mức thoạt đầu cô cứ nghĩ chúng là tín hiệu đến từ một nền văn minh ngoài hành tinh. Song rốt cuộc đó chẳng phải tín hiệu ngoài hành tinh gì cả, mà là bức xạ phát ra bởi các sao neutron đang quay nhanh.

Siêu tân tinh gây ra sao neutron truyền rất nhiều năng lượng sang vật thể co đặc này, làm cho nó quay tròn xung quanh trục của nó ở tốc độ từ 0,1 đến 60 vòng trên giây, và lên tới 700 vòng trên giây. Từ trường kinh khủng của những thực thể này tạo ra các cột bức xạ cường độ cao, chúng quét qua Trái Đất như thể các chùm sáng hải đăng, tạo ra cái gọi là pulsar.

Các đặc tính của sao neutron rất xa lạ với thế giới này – một muỗng trà vật liệu sao neutron sẽ cân nặng một tỉ tấn. Giả sử bằng cách nào đó bạn đứng trên bề mặt của chúng mà chưa ngỏm củ tỏi, thì bạn sẽ chịu lực hấp dẫn gấp 2 tỉ lần trọng lực bạn cảm nhận trên Trái Đất.

Từ trường của một sao neutron thông thường có thể mạnh gấp hàng nghìn tỉ lần từ trường Trái Đất. Thế nhưng một số sao neutron còn có từ trường kinh khủng hơn nữa, gấp một nghìn lần hơn một sao neutron trung bình. Điều này tạo ra một vật thể gọi là magnetar.

Các vụ động sao (starquake) trên bề mặt của một magnetar – tương đương với chuyển động lớp vỏ trên Trái Đất gây ra động đất – có thể giải phóng những lượng năng lượng khủng khiếp. Trong một phần mười của một giây, một magnetar có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn Mặt Trời phát ra trong 100.000 năm qua, theo NASA.

Sao neutron, hay pulsar, phát ra các chùm bức xạ khi chúng quay tròn.

Nghiên cứu về sao neutron

Các nhà nghiên cứu đã xem xét việc sử dụng các xung ổn định kiểu đồng hồ của sao neutron để giúp định hướng phi thuyền vũ trụ, giống hệt như các chùm tia GPS giúp chỉ đường người ta trên Trái Đất. Một thí nghiệm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) gọi là SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) đã có thể sử dụng tín hiệu từ các pulsar để tính ra vị trí của ISS trong phạm vi sai số 10 dặm (16 km).

Song còn rất nhiều thứ để tìm hiểu về sao neutron. Chẳng hạn, vào năm 2019, các nhà thiên văn đã phát hiện sao neutron khối lượng lớn nhất từng chứng kiến – với khoảng 2,14 lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta nén vào một quả cầu đường kính chừng 12,4 dặm (20 km). Ở kích cỡ này, vật thể ấy nằm ngay tại giới hạn lẽ ra nó phải suy sụp thành lỗ đen, thế nên các nhà nghiên cứu đang khảo sát nó tỉ mỉ nhằm hiểu rõ hơn về cơ sở vật lí mới lạ có thể đang chi phối nó.

Các nhà nghiên cứu còn thu được những công cụ mới để nghiên cứu tốt hơn động lực học sao neutron. Sử dụng Đài quan trắc Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO), các nhà vật lí đã có thể quan sát các sóng hấp dẫn phát ra khi hai sao neutron quay tròn xung quanh nhau và rồi va chạm nhau. Những vụ hợp nhất khủng khiếp này có thể là nguyên nhân sản sinh nhiều kim loại quý mà chúng ta có trên Trái Đất, bao gồm platinum và vàng, và các nguyên tố phóng xạ, ví dụ như uranium.

Nguồn: Live Science

Bài trước | Bài kế tiếp