Những ngọn hải đăng của vũ trụ

Nếu khối lượng vẫn tiếp tục tăng lên, tại một thời điểm nào đó các hạt electron và proton trong một sao lùn trắng bị nghiền vào với nhau và trung hòa với nhau. Ngôi sao trở thành một nồi súp lớn của các hạt neutron. Trọng lực tiếp tục kéo xuống, đẩy các hạt neutron lại gần với nhau hơn bao giờ hết khi không còn electron và proton xung quanh nữa.

Đây là nơi sự phi thường của thiên nhiên diễn ra. Các hạt neutron cũng thuộc về một phân loại đặc biệt của thế giới hạt gọi là fermion. Giống như các sao lùn trắng, khối lượng của các sao neutron cũng tầm khoảng khối lượng của Mặt Trời, nhưng chúng gói gọn vào trong một khối cầu có đường kính chỉ vài dặm. Hãy tưởng tượng tất cả vật chất của Mặt Trời - khoảng 500 000 lần nhiều hơn so với vật chất của Trái Đất - bị gói gọn vào trong một quả bóng kích thước từ 8 đến 24 km. Vật chất nén lại với độ đậm đặc gấp 100 000 000 000 000 (1 trăm nghìn tỷ) lần khối lượng riêng của chì.

Với tất cả khối lượng riêng này, lực hấp dẫn xung quanh một sao neutron lớn hơn bất cứ thứ gì trên Trái Đất mà chúng ta từng biết - cũng tương tự như trường hợp của sao lùn trắng, nhưng khủng khiếp hơn nhiều. Nếu bạn đã tách cặp song sinh ngay khi vừa sinh ra trong đó một người đi vào sống trên bề mặt của một sao neutron, theo thời gian khi bạn đã 75 tuổi, thì người anh em này chỉ mới 60 mà thôi. (Tất nhiên, cuộc sống trên một ngôi sao neutron thì kinh khủng hơn rất nhiều so với trên một ngôi sao lùn trắng). Trong thực tế, lực hấp dẫn quá mạnh mẽ đến mức không chỉ bẻ cong thời gian, mà còn uốn cong không gian một cách đáng kể. Để hình dung về sự uốn cong này, chúng ta lấy một chiếc đĩa khác cắt ngang qua tâm của ngôi sao. Nhưng các vòng trên đĩa này không tuân theo các quy luật hình học mà chúng ta đã học ở trường phổ thông. Chiếc đĩa mà chúng ta cắt thẳng xuyên qua ngôi sao lại có dạng như một quả đồi, như hình vẽ mô phỏng dưới đây.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 1: Hình học bên trong và xung quanh một ngôi sao neutron có khối lượng gấp rưỡi Mặt Trời. Vòng tròn màu đen biểu diễn cho bề mặt của ngôi sao. Chúng ta có thể nhìn thấy rằng không gian đã bị uốn cong, bởi vì một lát cắt thẳng xuyên qua tâm của ngôi sao lại có hình dạng giống với một ngọn đồi. Tỷ lệ thời gian chảy trong và xung quanh ngôi sao được hiển thị trên thang màu. Thời gian chậm lại một cách rõ ràng tại tâm. Điều đó có nghĩa là gì? Credit: SXS

Vòng tròn màu tối hiển thị trong bức hình biểu diễn bề mặt của ngôi sao. Lấy một sợi dây chạm từ tâm của ngôi sao đến bề mặt của nó. Nếu hình học của trung học phổ thông áp dụng cho trường hợp này, vòng tròn sẽ phải có chiều dài gấp khoảng 6.2382 lần so vói sợi dây. Tuy nhiên, trong trường hợp này vòng tròn lại nhỏ hơn nhiều so với tỷ lệ đó. Đó chính là sự kỳ quái của không gian bị biến dạng.

Bức hình trên cho thấy một ngôi sao neutron tròn hoàn hảo - cho dù bạn nhìn với góc nhìn nào thì nó cũng giống nhau. Nhưng không quan trọng việc các ngôi sao được tìm thấy trong vũ trụ thực sự có hình dạng như thế nào. Các sao neutron là những vật thể phức tạp. Lấy một ví dụ, những ngôi sao neutron này được cho là có lớp vỏ rắn - giống với với lớp vỏ đá rắn của Trái Đất nổi trên lớp nham thạch lỏng bên trong. Nếu như  trên Trái Đất có sự hiện diện của các ngọn núi, chúng ta cũng có thể kỳ vọng tìm thấy các ngọn núi trên một ngôi sao neutron. Trong trường hợp đó, ngôi sao sẽ không còn được nhìn thấy giống nhau ở mọi góc nhìn nữa. Nếu chúng ta nhìn vào chiếc đĩa lúc này, nó sẽ có dạng như một ngọn đồi lớn, với một gợn nhỏ trên đó.

Giả sử rằng ngôi sao neutron không bằng phẳng của chúng ta cũng đang quay. Chúng ta biết rằng Trái Đất quay - đó là lý do vì sao chúng ta cảm thấy bầu trời dường như đang chuyển động ngang qua Trái Đất. Các nhà thiên văn học đã nhìn thấy rằng các hành tinh khác cũng quay tương tự. Thậm chí đến bản thân Mặt Trời cũng quay cơ mà. Chúng ta nên kỳ vọng rằng các ngôi sao xa xôi cũng quay. Khi những ngôi sao này chết, chuyển động quay của chúng không dừng lại. Thay vào đó, như một vận động viên trượt băng thu cánh tay lại khi đang quay, ngôi sao suy sụp sẽ quay nhanh hơn và nhanh hơn nữa. Một khi ngôi sao được nén xuống kích thước của một ngôi sao neutron, nó sẽ quay nhanh đến kinh ngạc.

Vật Lý Thiên Văn - Chia sẻ niềm đam mê!

Hình 2: Tinh vân Con Cua (Crab Nebula) chứa đựng tàn dư của một vụ nổ siêu sao mới được chứng kiến khắp nới trên thế giới vào năm 1054 sau Công nguyên. Phần lõi còn lại ở tâm của tinh vân này là một sao xung (pulsar). Credit: Optical: NASA/HST/ASU/J. Hester et al. X-Ray: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.

Bây giờ chúng ta thêm một thành phần cuối cùng để trộn vào. Chúng ta biết rằng Trái Đất có từ trường - đó là lý do mà một chiếc la bàn hoạt động. Cũng tương tự như vậy, các nhà thiên văn học đã phát hiện từ trường xung quanh các hành tinh khác, và thậm chí là Mặt Trời. Một lần nữa, chúng ta hy vọng rằng hầu hết các ngôi sao đều có từ trường. Khi một ngôi sao co lại đến kích thước của một sao neutron, từ trường bị dồn nén lại và trở nên mạnh hơn nhiều. Một sao neutron điển hình có thể có một từ trường mạnh lên đến 1000 000 000 000 (1 nghìn tỷ) lần so với từ trường của Trái Đất. Một từ trường mạnh như vậy có thể bắn các hạt từ ngôi sao vào không gian liên sao.

Vào năm 1967, nhà thiên văn học Jocelyn Bell đã quan sát dữ liệu mà cô đã thu được từ kính thiên văn vô tuyến khi cố thông báo một mẫu ổn định và không bình thường. Tiến sĩ Bell đã phát hiện một sao xung (pulsar) đầu tiên. Một sao xung chỉ là một sao neutron bắn ra ngoài một chùm hạt và ánh sáng. Khi ngôi sao quay, chùm hạt và ánh sáng này quay theo, như một ngọn hải đăng khổng lồ. Ánh sáng từ ngọn hải đăng này có thể quét qua Trái Đất, nơi mà con người nhìn thấy tín hiệu như một tia chớp từ không gian bên ngoài. Một số sao xung nháy chớp hàng trăm lần mỗi giây. Điều đó có nghĩa là toàn bộ ngôi sao đang quay hàng trăm vòng mỗi giây.

Bây giờ, nếu một sao xung như vậy cũng có một ngọn núi trên nó, không-thời gian sẽ bị khuấy động. Như một mái chèo quay trong nước, sao xung đó sẽ sinh ra sóng hấp dẫn. Chuyển động quay này là tương đối ổn định, do đó chúng ta kỳ vọng âm thanh của sóng hấp dẫn từ nó sẽ có một giai điệu rất ổn định - một nốt ổn định đơn lẻ bắn xuyên qua không gian và thời gian.

Lắng nghe nốt nhạc ổn định của một sao xung đang quay không ngừng trong không gian:


Âm thanh thực hiện bởi: http://www.tapir.caltech.edu/~teviet/

Còn tiếp...

Nguồn: SXS

Mục lục

Author: Hien PHAN
Nguyên chủ nhiệm CLB Thiên văn Bách khoa - PAC (nay là CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC); Nghiên cứu sinh ngành Vật lý thiên văn tại APC Laboratory, Paris Diderot University, Cộng hòa Pháp.