Được mệnh danh là ngọn hải đăng của vũ trụ, Pulsar - một thiên thể bí ẩn nhưng cũng không kém phần thu hút, như một "nàng thơ" được rất nhiều người yêu thích thiên văn và các nhà khoa học tìm tòi khám phá.
PULSAR LÀ GÌ?
Các "Pulsar" là các ngôi sao neutron quay rất nhanh làm nổ các xung của bức xạ theo các khoảng thời gian đều đặn từ vài giây đến mili giây. Trong Tiếng Việt, chúng ta gọi Pulsars là các sao xung. Có hai loại pulsar, một loại có thời gian vài mili giây với tính tuần hoàn này thay đổi rất chậm theo thời gian, được gọi là các pulsar và các xung khác chỉ được gọi là 'xung thông thường'. Một vài trong số chúng thường liên quan tới tàn dư của các vụ nổ supernova, và nó thường được coi là phần lõi sụp đổ của các ngôi sao từng có khối lượng khoảng 6-10 lần khối lượng Mặt Trời.
Hãy tưởng tượng ngôi sao là một cặp kéo mở quay trên một tay cầm: Một lưỡi chỉ hướng lên trên, đây là trục quay, trong khi lưỡi khác là chùm ánh sáng. Trong khi trục quay có cùng một hướng thì hướng của chùm tia quay với vòng quay của ngôi sao neutron. Sao xung có từ trường mạnh mẽ, các hạt dọc theo các cực từ của chúng đẩy chúng lên tốc độ tương đối tính (relativistic speed), tạo ra hai chùm ánh sáng mạnh mẽ từ mỗi cực. Theo Đại học California, bởi vì các cực của từ trường không phù hợp với trục quay của xung, các chùm hạt và ánh sáng mà chúng tạo ra được quét xung quanh khi pulsar quay.
Tính tuần hoàn của các xung được gây ra bởi những chùm ánh sáng này vượt qua đường ngắm (line of sight) trên Trái Đất, với Pulsar dường như trong trạng thái "đang tắt" tại các điểm khi ánh sáng hướng ra khỏi chúng ta. Thời gian giữa các xung này là "chu kỳ" của xung.
PULSAR HÌNH THÀNH NHƯ THẾ NÀO?
Giống như tất cả các sao neutron, các pulsar được sinh ra khi các ngôi sao có khối lượng từ 4 đến 8 lần khối lượng của Mặt Trời cạn kiệt nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân. Khi sự hợp nhất của các nguyên tố nhẹ hơn thành các nguyên tố nặng hơn dừng lại, quá trình sản xuất năng lượng hỗ trợ ngôi sao nặng chống lại áp suất bên trong của lực hấp dẫn cực lớn của chính nó cũng ngừng lại. Sự cân bằng mà ngôi sao được hưởng trong suốt cuộc đời của nó kết thúc và nó bắt đầu sụp đổ.
Khi quá trình sụp đổ diễn ra, các lớp bên ngoài của ngôi sao bị thổi bay trong vụ nổ siêu tân tinh chỉ còn lõi sắt của ngôi sao khổng lồ chứa khối lượng tương đương với khối lượng của mặt trời và gấp khoảng 1,5 lần khối lượng của ngôi sao còn lại của chúng ta. Theo NASA Goddard, thứ này nghiền nát thành một chiều rộng không lớn hơn khoảng 12 đến 17 dặm (19 đến 27 km), xung quanh chiều rộng của một thành phố ở đây trên Trái Đất. Điều này tạo ra vật chất sao neutron bao gồm 95% neutron, bởi vì sự sụp đổ đã buộc các electron và proton lại với nhau. Vật chất bao gồm các sao neutron đặc đến mức chỉ một thìa cà phê của nó cũng nặng 4 tỷ tấn. Điều này tương đương với 10.000 Tòa nhà Empire State xếp chồng lên nhau trên một chiếc thìa nhỏ!
Vật chất siêu đặc này không thể nhồi nhét thêm vào nhau vì khối lượng của lõi sao không thể vượt qua các tính chất lượng tử của neutron của nó. Nếu ngôi sao đủ lớn để áp đảo hiệu ứng này thì sao neutron sẽ tiếp tục sụp đổ cho đến khi nó biến thành lỗ đen. Một ngôi sao có khối lượng bằng mặt trời sẽ không bao giờ trở thành sao neutron, thay vào đó, ngôi sao của chúng ta sẽ kết thúc vòng đời của nó khi hết hydro để hợp nhất thành helium dưới dạng tàn dư sao âm ỉ được gọi là sao lùn trắng.
CÓ PHẢI TẤT CẢ SAO NEUTRON LÀ PULSAR?
Tất cả các sao xung đều là sao neutron, nhưng không phải tất cả các sao neutron đều là sao xung. Phần lớn các sao neutron mà chúng ta đã phát hiện cho đến nay là các Pulsar, nhưng đó là bởi vì chúng dễ tìm thấy hơn nhiều so với các sao neutron. Với những chùm bức xạ lớn phát ra từ các cực từ, các nhà thiên văn học có thể quan sát những ngọn hải đăng vũ trụ này dễ dàng hơn nhiều so với các sao neutron nhỏ và mờ khác.
Tuy nhiên, một số Pulsar có thể không quan sát được từ Trái Đất, bởi vì các chùm ánh sáng bức xạ của chúng không tự định hướng về phía chúng ta. Chúng ta có thể chắc chắn rằng các Pulsar đang quay nhanh các sao neutron, vì các pulsar trẻ đã được phát hiện bên trong tàn dư của các siêu tân tinh. Đây chính là nơi các ngôi sao neutron dự kiến sẽ được tìm thấy.
TẠI SAO CHÚNG TA LẠI NGHIÊN CỨU VỀ PULSAR?
Pulsar là công cụ vũ trụ tuyệt vời để các nhà khoa học nghiên cứu nhiều hiện tượng khác nhau.
Ánh sáng phát ra từ một pulsar mang thông tin về những vật thể này và những gì đang xảy ra bên trong chúng. Điều đó có nghĩa là các sao xung cung cấp cho các nhà khoa học thông tin về tính chất vật lý của sao neutron, là vật chất dày đặc nhất trong vũ trụ (ngoại trừ vật chất bên trong lỗ đen). Trạng thái kỳ lạ của vật chất bên trong các sao neutron được các nhà khoa học gọi là "mì ống hạt nhân": Đôi khi, các nguyên tử tự sắp xếp thành các tấm phẳng, giống như lasagna, hoặc xoắn ốc như fusilli, hoặc những cục bột nhỏ như gnocchi.
Một số pulsar cũng cực kỳ hữu ích vì độ chính xác của các xung của chúng. Có nhiều sao xung nhấp nháy với tần suất chính xác liên tục, chúng được coi là những chiếc đồng hồ tự nhiên chính xác nhất trong vũ trụ. Kết quả là, các nhà khoa học có thể theo dõi những thay đổi trong chớp mắt của một pulsar có thể chỉ ra điều gì đó đang xảy ra trong không gian quanh đó. Chính bằng phương pháp này, các nhà khoa học đã bắt đầu xác định sự hiện diện của các ngoại hành tinh quay quanh các vật thể này. Hành tinh đầu tiên bên ngoài Thái Dương hệ từng được tìm thấy đang quay quanh một pulsar.
Bởi vì các pulsar đang di chuyển trong không gian, đồng thời nhấp nháy với số lần đều đặn mỗi giây, các nhà khoa học có thể sử dụng chúng để tính toán khoảng cách trong vũ trụ. Vị trí thay đổi của ẩn tinh có nghĩa là ánh sáng mà nó phát ra sẽ mất nhiều thời gian hơn để đến Trái Đất. Nhờ thời gian giữa các xung, các nhà khoa học đã thực hiện một số phép đo khoảng cách chính xác nhất của các vật thể trong vũ trụ.
Pulsar đã được sử dụng để kiểm tra các khía cạnh của Thuyết Tương đối rộng của Albert Einstein, chẳng hạn như lực hấp dẫn phổ quát. Thời gian thông thường của các sao xung cũng có thể bị phá vỡ bởi sóng hấp dẫn — những gợn sóng trong không-thời gian được Einstein dự đoán và được phát hiện trực tiếp lần đầu tiên vào tháng 2 năm 2016. Hiện có nhiều thí nghiệm đang tìm kiếm sóng hấp dẫn thông qua phương pháp sao xung này.
SỰ TÀN LỤI CỦA MỘT PULSAR
Tất cả các sao xung quay chậm dần khi chúng già đi. Bức xạ do một pulsar phát ra được cung cấp bởi từ trường và spin của nó. Kết quả là pulsar hoạt động chậm lại cũng mất năng lượng và dần dần ngừng phát ra bức xạ.
Các quan sát cho đến nay gợi ý rằng các pulsar giảm xuống dưới ngưỡng phát hiện bằng tia gamma trước sóng vô tuyến. Khi các sao xung đạt đến giai đoạn này của cuộc đời, chúng sẽ đi vào nơi được gọi là nghĩa địa của sao xung. Các sao xung đã ngừng phát xạ có thể được các nhà thiên văn coi là sao neutron thông thường.
Nhưng nếu pulsar nằm gần một ngôi sao đồng hành, thì nó có thể được "tái sinh", nghĩa là nó hút vật chất và năng lượng từ ngôi sao lân cận, tăng tốc độ quay của nó lên hàng trăm lần mỗi giây. Sự thay đổi này có thể xảy ra bất cứ lúc nào trong vòng đời của một pulsar, nghĩa là tốc độ quay của một pulsar 'đang chết' có thể tăng lên trong hàng trăm đến hàng triệu năm. Sao xung bắt đầu phát ra tia X và cặp vật thể này được gọi là 'nhị phân tia X khối lượng thấp'(low-mass X-ray binary). Những sao xung ăn thịt đồng loại này được gọi là sao xung 'góa phụ đen' (black widow) hoặc sao xung 'lưng đỏ' (redback) liên quan đến hai loài nhện nổi tiếng thường được biết đến là giết bạn đời của chúng.
