Phát hiện vật chất kỳ lạ mới bên trong sao neutron

Bình luận Văn Thiện • 00:01, 07/06/20

Một nhóm nghiên cứu Phần Lan đã tìm thấy bằng chứng mạnh mẽ cho sự hiện diện của vật chất quark kỳ lạ tồn tại bên trong lõi của các ngôi sao neutron lớn nhất. Kết luận đạt được bằng cách kết hợp các kết quả gần đây từ lý thuyết hạt và vật lý hạt nhân với các phép đo sóng hấp dẫn từ các va chạm sao neutron.

Tất cả các vật chất bình thường xung quanh chúng ta bao gồm các nguyên tử có hạt nhân bao gồm các proton và neutron được bao quanh bởi các electron tích điện âm. Tuy nhiên, bên trong cái được gọi là sao neutron, vật chất nguyên tử được cho là suy sụp thành vật chất hạt nhân cực kỳ đậm đặc, trong đó neutron và proton được kết hợp chặt chẽ đến mức toàn bộ ngôi sao có thể được coi là một hạt nhân khổng lồ.

Cho đến bây giờ, vẫn chưa rõ liệu hạt nhân bên trong lõi của các sao neutron lớn nhất có thể suy sụp thành một trạng thái kỳ lạ hơn nữa gọi là vật chất quark hay không. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Helsinki hiện cho rằng câu trả lời là có. Kết quả mới được công bố trên tạp chí uy tín Nature Physics.

Thành viên nhóm nghiên cứu, Giáo sư Aleksi Vuorinen đến từ Khoa Vật lý của Đại học Helsinki và Viện Vật lý Helsinki cho biết: “Việc xác nhận sự tồn tại của lõi quark bên trong các sao neutron là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của vật lý sao neutron kể từ khi khả năng này được đề nghị lần đầu cách đây khoảng 40 năm”.

Rất có thể tồn tại vật chất quark

Do các mô phỏng quy mô lớn chạy trên các siêu máy tính không thể xác định trạng thái của vật chất hạt nhân bên trong các sao neutron, nhóm nghiên cứu Phần Lan đã đề xuất một cách tiếp cận mới cho vấn đề này. Họ nhận ra rằng bằng cách kết hợp các phát hiện gần đây từ lý thuyết hạt và vật lý hạt nhân với các phép đo vật lý thiên văn, chúng ta có thể suy ra các đặc tính và trạng thái của vật chất ở bên trong các sao neutron.

Theo nghiên cứu, vật chất nằm trong lõi của các ngôi sao neutron lớn ổn định giống với với vật chất quark hơn so với vật chất hạt nhân thông thường. Các tính toán chỉ ra rằng trong các ngôi sao này, đường kính của lõi vật chất quark có thể vượt quá một nửa của toàn bộ sao neutron. Tuy nhiên, ông Vuorinen chỉ ra rằng vẫn còn nhiều điều không chắc chắn liên quan đến cấu trúc chính xác của các sao neutron.

Ông Vuorinen giải thích: “Vẫn còn một cơ hội nhỏ nhưng không phải là không có là tất cả các sao neutron chỉ bao gồm vật chất hạt nhân. Tuy nhiên, những gì chúng tôi đã có thể làm là định lượng những gì kịch bản kiểu này sẽ đòi hỏi. Nói tóm lại, hành vi của vật chất hạt nhân ở lõi sau đó sẽ cần phải thực sự đặc biệt. Chẳng hạn, tốc độ âm thanh sẽ gần như bằng ánh sáng”.

Xác định bán kính từ các quan sát sóng hấp dẫn

Một yếu tố quan trọng góp phần vào phát hiện mới là sự xuất hiện của hai kết quả gần đây trong vật lý thiên văn: đo được sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất sao neutron và phát hiện các sao neutron rất lớn có khối lượng gần bằng 2 lần khối lượng mặt trời.

Vào mùa thu năm 2017, lần đầu tiên các đài quan sát LIGO và Virgo đã phát hiện ra sóng hấp dẫn được tạo ra khi hai ngôi sao neutron hợp nhất. Quan sát đã đặt giới hạn trên nghiêm ngặt cho một đại lượng gọi là biến dạng thủy triều - dùng để đo lường mức độ nhạy cảm của cấu trúc ngôi sao quỹ đạo đối với trường hấp dẫn của sao đồng hành. Kết quả này sau đó đã được sử dụng để thu được giới hạn trên khoảng 13 km cho bán kính của các sao neutron trong va chạm.

Mặc dù sao neutron đầu tiên được phát hiện từ năm 1967, các phép đo khối lượng chính xác của những ngôi sao này chỉ có thể thực hiện được trong 20 năm qua. Hầu hết các ngôi sao có khối lượng được biết chính xác rơi vào khoảng từ 1 đến 1,7 lần mặt trời, nhưng thập kỷ qua đã chứng kiến sự phát hiện của 3 ngôi sao đạt hoặc thậm chí vượt quá giới hạn khối lượng 2 mặt trời.

Dự kiến các quan sát thêm 

Thông tin về bán kính và khối lượng sao neutron đã làm sáng tỏ hơn các tính chất nhiệt động của vật chất sao neutron. Điều này cũng đã cho phép nhóm nghiên cứu Phần Lan hoàn thành phân tích được trình bày trên Nature Physics.

Trong phân tích mới của nhóm, các quan sát vật lý thiên văn được kết hợp với các kết quả lý thuyết hạt và vật lý hạt nhân. Điều này cho phép đưa ra một dự đoán chính xác về phương trình trạng thái của vật chất sao neutron, trong đó đề cập đến mối quan hệ giữa áp suất và mật độ năng lượng của nó. Một thành phần không thể thiếu trong quá trình này là kết quả nổi tiếng từ thuyết tương đối rộng, liên quan đến phương trình trạng thái với mối quan hệ giữa các giá trị có thể của bán kính sao neutron và khối lượng.

Kể từ mùa thu năm 2017, một số vụ sáp nhập sao neutron mới được phát hiện và LIGO và Virgo nhanh chóng trở thành một phần không thể thiếu trong các nghiên cứu sao neutron. Sự thu thập nhanh chóng thông tin quan sát mới đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chính xác của những phát hiện của nhóm nghiên cứu Phần Lan và xác nhận sự tồn tại của vật chất quark bên trong các sao neutron. Với việc nhiều quan sát hơn nữa sẽ được thực hiện trong tương lai gần, sự không chắc chắn liên quan đến kết quả mới cũng sẽ tự động giảm.

Ông Vuorinen vui mừng cho biết: “Có lý do để tin rằng thời kỳ hoàng kim của vật lý thiên văn sóng hấp dẫn chỉ mới bắt đầu, và chúng ta sẽ sớm chứng kiến nhiều bước nhảy vọt như thế này trong sự hiểu biết của chúng ta về thiên nhiên”.

Văn Thiện

Theo Scitechdaily