Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất trong vũ trụ.
Sao neutron được cho là vật thể lạ lùng nhất trong vũ trụ. Sinh ra từ cái chết của các sao khối lượng lớn, chúng kết hợp lực hấp dẫn mạnh với nhiệt độ và tỉ trọng cao hơn bất kì thứ gì chúng ta có thể tạo ra trong phòng thí nghiệm.
Mặc dù chúng ta đã biết về sao neutron trong quãng thời gian sáng sủa của thế kỉ qua, nhưng các nhà thiên văn vật lí vẫn chưa biết chắc rằng chúng to bao nhiêu. Sự mập mờ đó liên quan đến hai câu hỏi chưa được trả lời khác: Cái gì ở giữa một sao neutron, và chúng có thể lớn đến khối lượng bao nhiêu?
Chúng ta biết chúng tương đối tí hon: Các nhà nghiên cứu ước tính một sao neutron khối lượng chừng 1,4 lần khối lượng mặt trời có bán kính từ 8 đến 16 km. Mặt trời, trái lại, có bán kính khoảng 696 nghìn km.
Ngay cả các sao bình thường vẫn là quá nhỏ nên chẳng là gì ngoài những điểm sáng trong các kính thiên văn mạnh nhất của chúng ta, vì thế phép đo trực tiếp kích cỡ của sao neutron là chuyện hão huyền.
Tuy nhiên, các nhà thiên văn vật lí rất giỏi ở các phép đo gián tiếp. Nghiên cứu hiện nay kết hợp nhiều loại quan trắc điện từ (dựa trên ánh sáng) với nghiên cứu trong phòng lab và các mô hình lí thuyết. Do đó, bất chấp phạm vi tương đối rộng của giá trị bán kính khả dĩ (có thể ví như một người nói rằng họ cao từ 4 đến 8 foot), mỗi phép đo và mỗi lí thuyết hợp lí về cấu trúc sao neutron đều đem lại một ước tính kích cỡ nằm trong phạm vi đó.
Nhưng liệu các nhà thiên văn vật lí có thể làm tốt hơn nữa không? Họ sẽ nói có thể, bởi lẽ họ có trợ giúp: Các đài thiên văn sóng hấp dẫn LIGO và Virgo, cùng với Máy thám hiểm Nội phần Sao neutron (NICER), một đài quan trắc tia X trên Trạm Vũ trụ Quốc tế chuyên nghiên cứu cấu trúc của sao neutron.
“Bạn đang chứng kiến sự xuất hiện bên nhau đẹp đẽ của các quan trắc sóng hấp dẫn và quan trắc điện từ, thường xuyên với các kĩ thuật rất khác nhau,” phát biểu của Anna Watts, một nhà thiên văn vật lí sao neutron tại Đại học Amsterdeam, người tham gia nghiên cứu với NICER. “Đó là một lĩnh vực tươi vui để tham gia hiện nay!”
Một nghiên cứu mới công bố hồi đầu năm nay kết hợp các quan trắc sóng hấp dẫn về sao đôi neutron đang va chạm GW170817 (phát hiện vào ngày 17 tháng Tám 2017) với các quan trắc điện từ và vật lí hạt nhân. Nghiên cứu tìm thấy bán kính của một sao neutron 1,4 khối lượng mặt trời là từ 10,4 đến 11,9 km – một cải thiện đáng kể so với những ước tính khác.
Các bức xạ điện từ phát ra từ GW170817 có nguồn gốc từ một “kilonova”: một vụ nổ ánh sáng năng lượng cao do các phản ứng hạt nhân sinh ra khi sao neutron hợp nhất. Các nhà thiên văn đã dùng kính thiên văn nghiên cứu kilonova ấy trên toàn phổ điện từ, từ tia gamma đến ánh sáng vô tuyến. Mỗi một quan sát độc lập này đem lại thông tin về mỗi phương diện của GW170817.
“Khi bạn có hai sao neutron hợp nhất, chúng bắn vọt ra rất nhiều vật chất trước khi chúng sát nhập, [vật chất đó] liên quan đến kiểu vật thể mà bạn có sau cú va chạm,” phát biểu của Stephanie M. Brown, một nhà thiên văn vật lí tại Viện Max Planck Vật lí Hấp dẫn ở Potsdam. Dựa trên ánh sáng phát ra bởi vật chất bị bắn vọt ra, dấu hiệu sóng hấp dẫn, và các phép tính vật lí hạt nhân, Brown và các cộng sự đã tính ra một bán kính phù hợp với mọi phép đo độc lập kia.
Cần quá nhiều dữ liệu như thế là vì các sao neutron vốn phức tạp. Theo hiểu biết tốt nhất của chúng ta, khi một sao khối lượng lớn chuyển thành siêu tân tinh, lõi của nó co lại do lực hút hấp dẫn, làm nén vật chất cho đến khi từng hạt nhân bị hòa lẫn thành một món súp hạt nhân – chủ yếu gồm neutron, nhưng khả năng cũng có proton hoặc thậm chí từng quark riêng lẻ.
“Có những thành phần khác nhau, có những cách khác nhau mô tả các lực liên-hạt, có đủ mọi kiểu khả năng lí thuyết thú vị mà bạn có thể đi tới,” Watts nói. “Bạn muốn tiến hành các quan trắc đa kênh về các sao neutron và sử dụng nhiều kĩ thuật khác nhau để kiểm tra chéo [những lí thuyết] khác nhau này.”
Nội phần sao neutron có khả năng có hai hoặc nhiều vùng tách biệt được xác định bởi sự tăng dần tỉ trọng và áp suất ở sâu bên trong, tương tự như lớp bao đàn hồi và nhân nóng chảy của Trái đất. Mô tả toán học của nội phần này được gọi là “phương trình trạng thái”, nó liên hệ khối lượng với bán kính và xác định khối lượng cực đại của một sao neutron.
Các nhà thiên văn vật lí không biết phương trình trạng thái hoàn chỉnh, nhưng cũng không hẳn là mù tịt. Kích cỡ của sao neutron bị chi phối hoàn toàn bởi lực hấp dẫn và các lực hạt nhân, trái với các sao bình thường như mặt trời của chúng ta vốn thay đổi kích cỡ rất nhiều trong quãng đời của chúng. Sao neutron có dạng cầu hoàn hảo dưới các điều kiện bình thường, bằng không chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn có thể phát hiện được khi chúng quay tròn. Tuy nhiên, trong những sự kiện va chạm như GW170817, lực hấp dẫn tương hỗ mạnh hút chúng lệch dạng. Hiện tượng này được gọi là sự biến dạng do thủy triều, một tính chất khác bị chi phối bởi phương trình trạng thái.
Mặc dù phòng lab không thể tái tạo mật độ và áp suất cao bên trong sao neutron, nhưng các nhà thiên văn vật lí có thể ngoại suy từ các thí nghiệm hạt nhân mật độ thấp hơn cho thấy các hạt hạt nhân có liên quan tương tác như thế nào. Cùng với một mô hình lí thuyết mạnh, gọi là lí thuyết trường hiệu dụng chiral, các kết quả thực nghiệm này đã thiết lập các ranh giới cho phương trình trạng thái khả dĩ.
“Bạn có được hình thức sóng hấp dẫn từ một sao đôi neutron, rồi bạn sử dụng ước tính tham số Bayesian để có được bán kính của bạn, khối lượng của bạn, spin của bạn, [và] sự biến dạng do thủy triều,” Brown nói.
Kết quả là: ước tính chính xác nhất từ trước đến nay cho bán kính sao neutron, cho biết khối lượng của nó.
Các kết luận dựa trên một hệ vốn là không đủ trong khoa học, song cho đến nay tự nhiên chưa đem lại va chạm sao neutron nào khác vừa có sóng hấp dẫn vừa có tín hiệu kilonova.
May thay, NICER không đòi hỏi sao neutron va chạm hoặc thậm chí có mặt trong một hệ sao đôi. Đài quan trắc này đo các thăng giáng tia X và quang phổ từ các hệ sao neutron, kể cả những vật thể quay tròn nhanh gọi là pulsar, phát ra những chùm tia sáng hẹp xuất hiện dưới dạng những lóe sáng đều đặn trước kính thiên văn.
Những lóe sáng này có thể được tạo ra bởi vật chất đang rơi lên một sao neutron, chúng có thể cung cấp thông tin về bán kính sao neutron. Chúng cũng xuất hiện trong các hệ sao đôi ở xa va chạm, ví dụ như pulsar đôi Hulse-Taylor đã chứng thực lần đầu tiên sự tồn tại của sóng hấp dẫn.
Các kết quả NICER cho GW170817 không khớp lắm với các kết luận của nhóm Brown. Đó chẳng phải chuyện gì to tát, dựa trên các sai số trong dữ liệu NICER, nhưng cả Brown và Watts đều nghĩ nó đáng để theo dõi.
“Sẽ thật đẹp nếu các kết quả NICER ăn khớp với của chúng tôi,” Brown nói. Bà ví sự mâu thuẫn tiềm tàng ấy với các số đo khác nhau cho tốc độ dãn nở của vũ trụ hiện đang khuấy đảo lĩnh vực vũ trụ học.
Trong khi đó, Watts nghi ngờ sự khác biệt ấy nằm ở các quan trắc kilonova. Không hẳn chúng sai, mà có thể có những sai số hệ thống chưa biết: những thành kiến trong hiểu biết về trang thiết bị hoặc mô hình có thể ảnh hưởng đến kết quả khi phân tích dữ liệu thô để rút ra một số đo từ những hệ phức tạp.
“Bạn phải rất thận trọng rằng cái bạn đang suy luận ra không phải là cái bạn đã đưa vào đó lúc ban đầu,” bà nói. “Cuối cùng, nếu bạn muốn kết hợp toàn bộ những số đo khác nhau này, thì bạn phải hiểu cho được các đặc tính của phương trình trạng thái và cái xảy ra với nó khi bạn bắt đầu so sánh nó với dữ liệu.”
Vẫn hãy còn sớm đối với NICER; cả Watts và Brown đều đang chờ đợi những kết quả mới.
Thật thú vị, một hệ sóng hấp dẫn được công bố hồi tháng Sáu 2020 có thể hoặc làm phức tạp thêm hoặc làm sáng tỏ câu chuyện: GW190814 liên quan đến một lỗ đen đang hợp nhất với một vật thể chưa biết 2,6 khối lượng mặt trời. Phần vì khối lượng đó quá nhẹ để là một lỗ đen, và các quan trắc kilonova dường như cho thấy các sao neutron không lớn đến thế. Tuy nhiên, theo Watts, các kết quả NICER hiện nay cho phép các sao neutron 2,6 khối lượng mặt trời, nên GW190814 sẽ không vướng vấn đề gì.
Tuy nhiên, như vỡ lẽ, các nhà thiên văn vật lí đã có những bước tiến rất lớn trong việc đo những vật thể rất nhỏ bé, nhờ cách tiếp cận đa kênh và liên ngành của họ. Với nhiều phép đo NICER và sóng hấp dẫn hơn nữa, cuối cùng thì bí ẩn về kích cỡ sao neutron – và cái cấu tạo nên chúng – có thể sẽ được giải quyết.
Nguồn: Symmetry Magazine
