Sử dụng sóng hấp dẫn để khám phá bí ẩn của sao Neutron

Sử dụng sóng hấp dẫn để khám phá bí ẩn của sao Neutron

Các trạm quan sát sóng hấp dẫn ngày càng có độ nhạy cao hơn, chúng ta có thể thấy được sự va chạm của các sao neutron và gần như có thể tìm hiểu được vỏ của chúng được cấu tạo như thế nào.

Sử dụng sóng hấp dẫn nghiên cứu vỏ của sao neutron

Chúng ta đang ở trong kỷ nguyên mới đáng kinh ngạc của ngành thiên văn học thời điểm mà chúng ta có thể nghiên cứu và phát hiện những gợn sóng cực yếu trong không thời gian được tạo ra bởi sự va chạm của các hố đen xa xôi. Chúng là những sự kiện trong vũ trụ với năng lượng lớn nhất được biết tới và khi chúng ta "lắng nghe" những tín hiệu hấp dẫn ngày thì những va chạm của các hố đen cuối cùng cũng được quan sát trực tiếp.

Mặc dù sự phát hiện lần đầu tiên về sóng hấp dẫn bởi Đài thiên văn Sóng hấp dẫn giao thoa Laser (LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) đã xác định bởi sự va chạm của hai hố đen, các nhà vật lý thiên văn vẫn còn xa các mục tiêu cao cả. Bước tiếp theo sẽ là phát hiện va chạm của các sao neutron và, hy vọng, sử dụng tín hiệu sóng hấp dẫn để mở lớp vỏ siêu dày đặc của vật chất, tiết lộ những gì mà chúng đang thực sự được tạo thành.

Sóng hấp dẫn đi di chuyển thông qua không-thời gian có thể được hình dung như những gợn sóng đi qua bề mặt của một cái ao. Và, giống như những gợn sóng nước, sóng hấp dẫn mang năng lượng đi từ các đối tượng lớn mà gia tốc, va chạm hoặc nổ. Thông báo mang tính lịch sử ngày 11 tháng 2 công bố phát hiện của sóng hấp dẫn đã được ghi lại bởi LIGO vào ngày 14 tháng 9 năm 2015, cho thấy sự quan sát trực tiếp đầu tiên của hai lỗ đen, một hố đen gâos 29 khối lượng mặt trời và hố đen khác nặng 36 khối lượng mặt trời, va chạm và sáp nhập làm một.

Sau đó, vào tháng 14, một phát hiện thứ hai đã được công bố, tiết lộ thêm một vụ sáp nhập lỗ đen. Lần này các lỗ đen nhỏ hơn, "nặng" gâos 14 lần khối lượng mặt trời và 8 lần khối lượng mặt trời. 


Cả hai quan sát đã cho thấy một số lượng đáng kinh ngạc của các thông tin về các cặp lỗ đen trước và sau khi va chạm mạnh mẽ của chúng, bao gồm cả việc chúng đã quay và quần chúng chính xác của chúng. Hơn nữa, các tín hiệu sóng hấp dẫn có rất nhiều phù hợp với dự đoán lý thuyết của chúng ta về sóng hấp dẫn được tạo ra bởi sự hợp nhất lỗ đen sẽ như thế nào. Những phát hiện đầu tiên là một minh chứng cho sự hiểu biết lý thuyết của chúng ta về những lỗ đen, xem xét rằng, cho đến ngày 15 tháng chín 2015, chúng ta sẽ không bao giờ thực sự quan sát bất kỳ loại tín hiệu trực tiếp từ một lỗ đen (mặc dù chúng ta đã có khá nhiều các bằng chứng gián tiếp rằng các lỗ đen và các sóng hấp dẫn được tồn tại). 

Vì vậy, chúng ta có bằng chứng quan sát trực tiếp của sự tồn tại của sóng hấp dẫn (và thực tế cả các hố đen) và bây giờ chúng ta biết chúng ta có thể xây dựng giao thoa kế tia laser đủ nhạy để phát hiện những biến động nhỏ nhất trong không thời gian. Bây giờ thiên văn học muốn thăm dò sâu hơn nữa với hy vọng phát hiện va chạm của các sao neutron, trong đó có một số với các cường độ yếu hơn các lỗ đen và các sóng hấp dẫn của chúng sẽ "mờ nhạt" hơn nhiều. 

Sao neutron được tạo ra sau khi ngôi sao lớn hết nhiên liệu và nổ như siêu tân tinh. Sau khi nổ với "màn pháo hoa sao", một khối vật chất quay tròn cực đặc có thể được bỏ lại phía sau. Các lực hấp dẫn cực mạnh của sao neutron này nghiền nát vật chất thông thường sang trạng thái cực độ chi phối bởi động lực học lượng tử. Được cho là một quả bóng khổng lồ của neutron - hạt hạ nguyên tử được tìm thấy trong hạt nhân nguyên tử bình thường - một ngôi sao neutron có thể được hiểu như một nguyên tử khổng lồ cho chính nó; một hạt nhân khổng lồ bao gồm chỉ neutron bị mắc kẹt trong một trường hấp dẫn nghiền, quay nhanh và thường sở hữu một từ trường sao điện từ mạnh mẽ.

Một vài ngôi sao neutron có thể biến thành ẩn tinh, nổ bức xạ mạnh từ các cực từ của chúng, xuất hiện như những ngọn hải đăng trên biển trong vũ trụ.  
Tuy nhiên, có rất nhiều câu hỏi chưa được trả lời trong các lĩnh vực vật lý sao neutron. Một câu hỏi quan trọng là liệu sao neutron phù hợp với các giải thích trong "sách giáo khoa" về những gì một ngôi sao neutron - về cơ bản một quả bóng neutron - tự chúng được nghiền nát vào quên lãng và các quy tắc lượng tử khác đang được áp dụng? Có thể sao neutron thực sự là một quả bóng cực kỳ dày đặc của các quark, các hạt hạ nguyên tử còn nhỏ hơn tự tạo nên các neutron? 

Trước ngày 11 tháng hai, những câu hỏi này sẽ vẫn là một sự tò mò về lý thuyết, nhưng bây giờ chúng ta đã có một tàu thăm dò tự nhiên đối với một số đối tượng lớn nhất trong vũ trụ và sóng hấp dẫn có thể được sử dụng để lộ tâm của va chạm sao neutron, có thể mở chúng ra và tiết lộ tính vật lý ẩn giấu bên trong.

"Cuối cùng, (sóng hấp dẫn) có thể trả lời các câu hỏi, hoặc là sao neutron được cấu tạo hoàn toàn của các hạt nhân nguyên tử thông thường, hoặc nếu chúng có chứa vật chất lạ ở những dạng vật chất quark deconfined dày đặc," Nhà vật lý Aleksi Vuorinen, thuộc Đại học Helsinki , Phần Lan tuyên bố.

Các vấn đề quan trọng với cố gắng để hiểu vật lý sao neutron là hiện nay không có cách nào chúng ta có thể mô phỏng với các thí nghiệm vật chất của sao neutron trên Trái đất. Cách gần nhất chúng ta có thể nghĩ tới là để va chạm các hạt bên trong các máy gia tốc mạnh mẽ như Large Hadron Collider (LHC) gần Geneva, Thụy Sĩ, để sản xuất một plasma quark-gluon rất ngắn ngủi, nóng. Mặc dù va chạm hạt có thể tiết lộ một số tính chất của trạng thái kỳ lạ của vật chất, chi phối bởi thuyết sắc động học lượng tử (QCD), nó đi kèm mô phỏng rất ngắn của môi trường dày đặc một ngôi sao neutron. 

"Các plasma quark-gluon được tạo thành trong các va chạm ion nặng có thể được xem như một món súp nóng, nhưng không phải rất dày đặc của các quark và gluon, trong khi vật chất quark là một trạng thái cơ bản vững chắc rất dày đặc và lạnh, của vật chất," Aleksi nói Kurkela (từ CERN và Đại học Stavanger ở Na Uy) trong một cuộc phỏng vấn với Phys.org. "Công việc của chúng tôi trong thực tế là cầu nối khoảng cách giữa hai hệ thống này, như là kết quả của chúng tôi có thể áp dụng ở mọi nhiệt độ, không giống như bất kỳ các kết quả trước đó." 

Vì vậy, nó có vẻ như đó là cách duy nhất chúng ta có thể "nhìn thấy" những gì sao neutron được tạo ra là để cố gắng phát hiện các tín hiệu sóng hấp dẫn được tạo ra sau khi hai ngôi sao neutron va chạm. Nhưng một khi chúng ta phát hiện các sóng hấp dẫn đầu tiên được tạo ra bằng cách sáp nhập sao neutron, chúng ta cần phải giải mã những ý nghĩa thực sự của các tín hiệu, và đây là lý do tại sao Vuorinen và Kurkela đang làm việc trên một số mô phỏng khá thú vị của các va chạm sao neutron. 

Cho đến bây giờ vật chất sao neutron đã được mô phỏng trong một trạng thái lạnh. Nhưng nếu chúng ta muốn hiểu những gì các sóng hấp dẫn từ sự sáp nhập sao neutron sao giống như thế, chúng ta cần phải mô phỏng những gì thực sự xảy ra trong một vụ va chạm sao neutron. Và không cần phải nói, mọi thứ sẽ trở nên nóng. Thực sự, thực sự nóng.

Kurkela và Vuorinen đã tiến hành mô phỏng va chạm sao neutron tạo ra nhiệt độ lên tới một nghìn tỉ độ (1x1012 Kelvin) để xem loại sóng hấp dẫn báo hiệu những va chạm gì xảy ra. Cuối cùng người ta hy vọng rằng các mô hình lý thuyết sẽ giúp các nhà vật lý hiểu những gì các sóng hấp dẫn đầu tiên được tạo ra bởi sự va chạm sao neutron sẽ như thế và liệu chúng sẽ tiết lộ rằng ngôi sao neutron có lõi neutron như trong "sách giáo khoa" hoặc là lõi tạo bởi toàn bộ các quark "kỳ lạ". 

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

(Theo DNews)