Pulsar, phần còn sót lại của vụ nổ sao siêu mới, được coi là một trong những dụng cụ đo thời gian tự nhiên chính xác nhất trong vũ trụ, nhưng những chiếc đồng hồ vũ trụ tuyệt vời này không hoàn toàn hoàn hảo. Nghiên cứu mới nhất chỉ ra rằng Pulsar thỉnh thoảng thể hiện sự gián đoạn trong khi hoạt động bởi chúng chứa đầy một ‘’chất siêu lỏng’’ có thể chảy qua mọi nơi trên bề mặt mà không bị ma sát.

Khi những ngôi sao khổng lồ già đi và chết, chúng phát nổ, một số để lại sau đó là sao Neutron – một phần vật chất nhỏ, đặc biệt đậm đặc còn sót lại sau quá trình co sập của vật chất trong ngôi sao ban đầu. Pulsar là 1 dạng đặc biệt của sao Neutron mà chuyển động tự quay đạt tới hàng trăm lần trong 1 giây. Pulsar cũng phát xạ các chùm ánh sáng ổn định, thường là sóng vô tuyến, thứ có thể quét ngang qua Trái Đất, tạo nên ảo giác rằng Pulsar đang nhấp nháy. Thời gian của những lần nhấp nháy trên là cực kì đều đặn nên các Pulsar được xem như là một trong những dụng cụ lưu trữ thời gian chính xác nhất của vũ trụ.

Nhưng đôi khi, Pulsar thể hiện sự gián đoạn khi đột nhiên quay nhanh hơn trong khoảng thời gian ngắn dẫn đến sự gia tăng độ sáng của các xung. Các nghiên cứu mới nhất cung cấp nhiều gợi ý cho giả thuyết rằng sự gián đoạn được tạo ra bởi sự tương tác giữ lớp vỏ ngoài của Pulsar và phần “siêu lỏng” bên trong nó, tức là phần vật chất có độ nhớt bằng không. Phần chất lưu này có thể dự trữ động lượng, và có thể giải thích nguồn gốc của lượng năng lượng bổ sung để tăng tốc Pulsar.

Hình 1. Hình minh họa một Pulsar, vật thể phát xạ chùm ánh sáng sáng mạnh từ 2 cực từ. Pulsar không nhất thiết quay xung quanh 2 cực của chúng, nên chùm ánh sáng quét ngang qua bầu trời và thỉnh thoảng nhấp sáng rồi tắt. Bức ảnh được miêu tả Đài quan sát Jodrell Bank (in bóng ở phía trước), nơi các nhà khoa học nghiên cứu về Pulsar, vật thể được hình thành bởi vụ nổ sao được biết đến dưới tên vụ nổ siêu tân tinh. Ảnh: N.Andersson

Giống như nước trong cốc

Các Pulsar được hình thành khi một ngôi sao có khối lượng từ 1,5 tới 3 lần khối lượng Mặt Trời cạn kiệt chất đốt hydrogen và co sập dưới trọng lực của chúng. Sự co sập thổi lớp ngoài cùng của phần tâm sao ra ngoài và tạo thành vụ nổ-vụ nổ siêu tân tinh. Nhưng hầu hết khối lượng của ngôi sao được giữ nguyên. Các nguyên tử tự dồn nén lẫn nhau tới khi electron (thường có quĩ đạo quay xung quanh hạt nhân nguyên tử) hoặc va chạm với proton trở thành neutron, hoặc thoát ra ngoài. Để lại sau cùng là một quả cầu neutron, được bao phủ bởi lớp vỏ của neutron và proton. Sao Neutron có đường kính nhỏ hơn 10 dặm (16 km) nhưng cực kì đậm đặc, một thìa vật chất có thể có trọng lượng hàng trăm lần trọng lượng kim tự tháp Ai Cập.

Khi các vật thể tự quay (như các ngôi sao) co sập, chúng tăng tốc (như các vận động viên trượt băng thu tay lại để quay nhanh hơn). Đó là lý do tại sao Pulsar quay rất nhanh - những ngôi sao có khối lượng khổng lồ và có đường kính ban đầu ở cỡ hàng triệu dặm.

Sao Neutron, bao gồm cả Pulsar, có từ trường mạnh phát những chùm sóng vô tuyến vào vũ trụ dọc theo 2 cực từ của chúng. Bởi vì cực từ không trùng với trục tự quay của Pulsar nên sóng vô tuyến giống như các ngọn đèn hải đăng, quét ngang qua bầu trời khi Pulsar quay. Khi các nhà thiên văn học nhìn thấy các tia trên với kính thiên văn vô tuyến, các tín hiệu xuất hiện nhấp nháy bật rồi tắt. Pulsar tự quay 1 cách đều đặn, và trung bình chỉ quay chậm lại khoảng 1 s sau hàng nghìn năm (lý do tại sao Pulsar được coi như người giữ thời gian của vũ trụ). Pulsar quay chậm lại bởi chúng mất năng lượng qua sóng vô tuyến và giải phóng vật chất từ bề mặt. Nên các nhà khoa học không thể giải thích tại sao Pulsar thỉnh thoảng lại có những đơt gián đoạn hoặc tăng tốc, nhưng moment động lượng gây ra hiện tượng trên có thể bắt nguồn từ đâu đó.

Đó là điểm bắt đầu của ý tưởng tới từ chất siêu lỏng. Hầu hết các nhà thiên văn học nghĩ rằng phần vỏ của sao Neutron giống như 1 mạng tinh thể cứng rắn, nhưng phía dưới bề mặt, sự gia tăng áp lực sẽ làm kim loại trở nên mềm dẻo hơn, cho tới khi nó trở thành chất lỏng. Trong nghiên cứu mới nhất, Wynn Ho, giảng viên toán học tại Đại học Southampon, Anh, và trợ giảng của ông đã nói rằng chất lỏng trên thuộc loại chất siêu lỏng, và có thể dự trữ moment động lượng bởi chúng có độ nhớt bằng không. Độ nhớt của chất lỏng tương đồng với độ đặc của chúng , như nước có độ nhớt ít hơn mật ong.

“Nếu bạn có 1 chiếc cốc nước trên bàn và chiếc cốc đang quay, nước bên trong cốc cũng sẽ quay theo”, Ho nói với Space.com. “Khi chiếc cốc quay chậm lại bởi ma sát với mặt bàn, nước trong cốc vẫn tiếp tục quay”. Đối với nước thông thường, chúng sẽ ngừng quay sau đó bởi chúng mất năng lượng qua ma sát với chiếc cốc, nhưng với chất siêu lỏng thì không như thế”, Ho cho biết thêm.

Chiếc cốc, trong trường hợp này, cũng như bề mặt của sao Neutron. Bề mặt sẽ quay chậm dần lại bởi vì năng lượng phát xạ . Nhưng chất siêu lỏng được tạo thành từ neutron vẫn giữ nguyên trạng thái cũ. Và khi sự chênh lệch tốc độ giữa 2 phần tăng lên, chất siêu lỏng tiếp xúc với phần vỏ sẽ gây nên cú thúc mạnh đột ngột làm Pulsar quay nhanh hơn trong 1 khoảng thời gian ngắn. Đó là sự gián đoạn, theo đó giải phóng năng lượng và làm thay đổi sự phát xạ tín hiệu vô tuyến của Pulsar. [Inside a Neutron Star (Infographic)

Đo đạc khối lượng Pulsar

Hình 2. Bức ảnh thể hiện Đài quan sát Jodrell Bank (in bóng ở phía trước), nơi các nhà khoa học nghiên cứu về Pulsar, vật thể được hình thành từ vụ nổ sao gọi là vụ nổ siêu tân tinh. Phần nền của bức ảnh là tàn dư siêu tân tinh Vela. Ảnh: N.Andersson.

Mặc dù các nhà khoa học đã đề nghị rằng chất siêu lỏng có thể tồn tại tại tâm của sao Neutron, mô hình mới nhất đã thêm các dòng xoáy vật lý và vai trò của nhiệt độ, theo Ho. Áp lực khổng lồ bên trong sao Neutron làm tăng nhiệt độ lên tới hàng nghìn độ. Tuy nhiên, nhiệt độ này đang giảm theo thời gian, và khi chúng hạ xuống dưới ngưỡng, chúng có thể trở thành chất siêu trơn, Ho cho biết.  “Chúng tôi tìm thấy có sự tương quan rõ ràng giữa nhiệt độ, độ trơn của Pulsar và độ lớn của các chấn động”, ông nói.

Ho cho rằng mô tình của nhóm ông có vẻ phù hợp với nhiều năm quan sát tốt hơn so với các mô hình trước đó. Nhưng để chắc chắn hơn, ông muốn quan sát Pulsar để nghiên cứu về các chấn động, đảm bảo rằng các dự đoán trên phù hợp với các quan sát. Trên thực tế, một Pulsar đang được quan sát là đủ cho điều đó. “Chúng tôi muốn quan sát các chấn động trong một thời gian dài hơn”, Ho cho biết.

Môt hướng khác cho rằng các hiện tượng trên có thể được sử dụng để đo khối lượng của Pulsar. “Spin “mới” (không mang ý nghĩa chơi chữ), qua đó, các tác giả đã tìm ra cơ chế để đo khối lượng của sao Neutron từ việc nghiên cứu sự gián đoạn của Pulsar”, Jorge Piekarawicz, chuyên gia Vật Lý tại Đại học Florida State, hiện đang nghiên cứu về động lực học của sao Neutron, theo trong email tới Space.com. Piekarewicz không tham gia vào nghiên cứu mới này. “Mặc dù nhiều công nghệ đã được sử dụng để đo khối lượng, nhưng ý kiến của các tác giả dùng sự gián đoạn của Pulsar thật sự là 1 ý tưởng thú vị”, ông nói. Thông thường, để xác định khối lượng của Pulsar, các nhà thiên văn học quan sát ngôi sao đồng hành của chúng và dự đoán khối lượng từ sự ảnh hưởng chuyển động lẫn nhau của 2 vật thể (khối lượng vật thể càng lớn, lực kéo tác động lên vật thể đồng hành gần đó càng lớn).

“Bởi vì theo các loại mô hình chúng ta có, chúng ta có thể xác định khối lượng Pulsar từ hạt nhân vật lý chúng ta biết, chứ không phải đo khối lượng từ lực hấp dẫn” - Ho tiết lộ. Ông cho biết thêm kết hợp phương pháp đó với cách đo khối lượng thuận tiện hơn sẽ tạo ra một bước nhảy vọt. “Nếu Pulsar là 1 hệ sao đôi”, ông nói, “Chúng tôi có thể xác định khối lượng của nó (thông qua lực hấp dẫn), và xem xét nếu khối lượng chúng ta dự đoán (với mô hình mới) là như nhau

Nguồn: Space.com

Tham khảo

Sinh viên cử nhân ngành Vũ trụ và Ứng dụng, trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội - USTH (2016 - 2019).