Vật chất tối có tạo nên các ngôi sao lạ?

Minh họa một sao neutron và một sao quark lạ thể hiện kích cỡ tương đối và các quark thành phần. (Ảnh: CXC/M Weiss)

Năng lượng cần thiết để biến đổi một sao neutron thành cái gọi là một sao lạ có thể phát sinh từ các hạt vật chất tối đang phân hủy. Đó là kết luận của một nghiên cứu mới của các nhà vật lí ở Tây Ban Nha, Anh và Mĩ, họ đề xuất rằng cơ chế biến đổi này có thể là một phương thức tốt để đặt ra một giới hạn dưới lên khối lượng của các hạt nặng tương tác yếu (WIMP), một ứng cử viên hàng đầu cho vật chất tối.

Một khi nhiên liệu hạt nhân của chúng đã đốt hết, các ngôi sao dưới một khối lượng nhất định sẽ co lại thành sao neutron. Những vật thể hết sức đậm đặc này chứa hầu như toàn neutron, sự co lại do hấp dẫn buộc các proton và electron phải hợp nhất lại. Tuy nhiên, người ta cho rằng, với một số nguồn năng lượng bổ sung cho trước, các sao neutron có thể biến đổi thành các sao lạ, những vật thể gồm toàn vật chất lạ - một món súp gồm các quark lên (up), down (xuống) và lạ (strange).

Ý tưởng là việc bổ sung thêm năng lượng này cho một thể tích có giới hạn nhất định của sao neutron sẽ làm giải phóng các quark up và down bị giam cầm bên trong các neutron. Một số trong những quark này khi đó sẽ tự nhiên biến đổi thành quark lạ, tạo ra một vùng vật chất lạ gọi là một strangelet. Nếu, như đã được giả thuyết hóa, vật chất lạ thật ra bền hơn vật chất hạt nhân thông thường, thì nó sẽ tồn tại ở một năng lượng thấp hơn. Năng lượng dôi dư giải phóng bởi sự biến đổi vật chất thông thường thành vật chất lạ khi đó sẽ làm phóng thích thêm nhiều quark up và quark down nữa, dẫn tới sự hình thành nhiều strangelet hơn.

Kết quả là một quá trình phi mã có khả năng biến đổi toàn bộ một ngôi sao neutron thành vật chất lạ trong vòng một giây hoặc chưa tới một giây. “Sao neutron là giả bền, giống như một người đứng trên mép núi vậy”, giải thích của Joseph Silk ở trường đại học Oxford, một thành viên trong nhóm nghiên cứu. “Giống hệt một cú đá nhẹ có thể đẩy một người rời khỏi mép đá và rơi xuống vực núi, chỉ một chút năng lượng nhỏ là đủ để biến đổi một sao neutron thành một sao lạ”.

Vật chất lạ có tồn tại không?

Trong khi không có bằng chứng rõ ràng nào là vật chất lạ thật sự tồn tại, thì việc quan sát những xung tia gamma cực ngắn nhưng cực sáng từ vũ trụ đến đề xuất sự tồn tại của các ngôi sao lạ. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất rằng năng lượng khổng lồ cần thiết để tạo ra một vụ bùng phát tia gamma có thể đến từ sự hình thành của một lỗ đen, nhưng số lượng lớn các hạt vật chất bình thường ở xung quanh một lỗ đen có thể hấp thụ phần lớn năng lượng đó. Tuy nhiên, sự biến đổi của một sao neutron thành sao lạ có thể cung cấp năng lượng cần thiết nhưng không cần đến vật chất bao xung quanh.

Tuy nhiên, vẫn còn câu hỏi là ngôi sao neutron lấy năng lượng kích thích ban đầu của nó từ đâu ra. Một số người cho rằng đơn giản là nó đến từ năng lượng của sự co lại hay từ những tia vũ trụ năng lượng rất cao va chạm với ngôi sao đó. Tuy nhiên, Silk cho biết cơ chế thứ nhất đòi hỏi các sao neutron phải có một khối lượng tối thiểu và ông khẳng định rằng cơ chế thứ hai thì mơ hồ vì, theo ông, nó sẽ không có khả năng đổ dồn năng lượng vào chính giữa của ngôi sao, đó là nơi cần có năng lượng để kích hoạt phản ứng dây chuyền.

Thay vào đó, Silk, Angeles Perez-Garciai ở trường Đại học Salamanca và Jirina Stone ở trường Đại học Tennessee, đã tính được rằng các hạt WIMP đang phân hủy, vốn có thể tích tụ tại tâm của các ngôi sao, có thể cung cấp năng lượng này. Nếu được xác nhận, thì cơ chế đó sẽ mang lại một giới hạn dưới mới, độc lập, cho khối lượng của một hạt WIMP. Giá trị này xấp xỉ 4 GeV, bằng một nửa năng lượng tối thiểu mà bộ ba tính được là cần thiết để kích hoạt sự biến đổi sao neutron theo phương thức này (với mỗi WIMP cung cấp một nửa khối lượng-năng lượng trong mỗi va chạm).

Phương pháp mới tìm các kiếm các hạt WMIP

Với việc tìm kiếm trực tiếp, trên mặt đất có thể hạ xuống khoảng 50 GeV, Silk cho biết cách tiếp cận mới này có thể cung cấp một sự bổ sung hữu ích cho các thí nghiệm hiện có. Ông cho biết lí thuyết không nghiêng về một khối lượng WIMP từ 4 đến 50 GeV nhưng một con số khoảng 10 GeV đã được đề xuất bởi các kết quả gây tranh luận gần đây, thu từ các máy dò đặt trên mặt đất.

Đội nghiên cứu khẳng định hai hướng quan sát có thể ủng hộ cho giả thuyết của họ và, từ đó, giúp đặt ra một giới hạn mới lên khối lượng của các hạt WIMP. Một hướng quan sát là đo khối lượng và bán kính của một ngôi sao lạ, thu được bằng cách nghiên cứu bức xạ của các pulsar, và so sánh những giá trị này với tiên đoán đưa ra bởi mô hình của họ và tiên đoán của các mô hình khác nữa. Bằng chứng cũng có thể thu được bằng cách tạo ra và sau đó đo các strangelet tại Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính ở Mĩ hoặc tại Máy Va chạm Hadron Lớn ở phòng thí nghiệm CERN, gần Geneva.

Paolo Gondolo thuộc trường Đại học Utah ở Mĩ tin rằng cơ chế mới trên là hợp lí, nhưng ông nghi ngờ là không biết nó có thể dùng trong tìm kiếm vật chất tối hay không. “Cho dù một ngôi sao lạ có được phát hiện ra chăng nữa, thì cũng khó mà nói nó có được hình thành bởi sự phân hủy vật chất tối hay không”, ông nói.

Sự ủng hộ thận trọng cho cơ chế vật chất tối cũng có từ phía Dejan Stojkovic thuộc trường Đại học Bang New York ở Buffalo. Ông nói quá trình này “có thể hiện thực hóa trong tự nhiên”. Nhưng ông giữ quan điểm rằng tính bền vững của ngôi sao lạ trong kịch bản này cần phải nghiên cứu. “Nếu sự phân hủy WIMP quá nhanh hoặc quá chậm, thì ngôi sao có thể không bao giờ đạt tới sự cân bằng nhiệt động lực học”, ông nói.

Nguồn: physicsworld.com