Phát hiện một dạng mới của vật chất bên trong các sao neutron

Tất cả các vật chất bình thường xung quanh chúng đều bao gồm các nguyên tử có cấu trúc hạt nhân dày đặc và được cấu tạo từ các proton và neutron, được bao các electron mang điện tích âm bao quanh. Tuy vậy trong các ngôi sao neutron, vật chất nguyên tử suy sụp thành vật chất hạt nhân đậm đặc, trong đó các neutron và proton được nén lại chặt đến mức toàn bộ ngôi sao này được coi là một hạt nhân khổng lồ.

Cho đến tận bây giờ, có một điều vẫn còn chưa rõ là liệu vật chất hạt nhân trong lõi của những ngôi sao neutron siêu khối lượng suy cụp thành một trạng thái lạ mà người ta vẫn gọi là vật chất quark, trong đó hạt nhân tự nó có tồn tại lâu không. Các nhà nghiên cứu từ trường đại học Helsinki đã tuyên bố: câu trả lời cho câu hỏi này là có. Kết quả mới được họ công bố trênNature Physics.

Phó giáo sư Aleksi Vuorinen của Khoa Vật lý trường đại học Helsinki. ĐH Helsinki

“Việc xác nhận sự tồn tại của các lõi quark bên trong các sao neutron đã là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của các nhà vật lý sao neutron kể từ khi điều có thể này được trao đổi khoảng 40 năm trước”, phó giáo sư Aleksi Vuorinen của Khoa Vật lý trường đại học Helsinki, nói.

Cùng làm việc với Vuorinen, nhóm nghiên cứu còn có nghiên cứu sinh Eemeli Annala từ Helsinki, cũng như các đồng nghiệp Tyler Gorda từ trường đại học Virginia, Aleksi Kurkela từ CERN, và Joonas Nättilä từ trường đại học Columbia.

Sự tồn tại có vẻ phù hợp

Với những mô phỏng trên quy mô lớn chạy trên những siêu máy tính có khả năng xác định được cả 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 thấy bằng việc kết hợp những phát hiện về vật lý hạt nhân, vật lý lý thuyết hạt với những đo lường vật lý thiên văn, có thể suy ra những đặc điểm và sự nhận diện của vật chất tồn tại bên trong các sao neutron.

Theo nghiên cứu này, vật chất tồn tại trong lõi của những ngôi sao neutron siêu khối lượng và bền bậc nhất tương đồng nhất với vật chất quark hơn bất cứ vật chất hạt nhân thông thường khác. Những tính toán chỉ ra rằng trong những ngôi sao này, đường kính của lõi được nhận biết như vật chất quark có thể vượt quá một nửa của những vật chất trong toàn bộ sao neutron. Dẫu sao, Vuorinen chỉ ra rằng ở đây vẫn còn tồn tại nhiều điểm bất định liên kết với cấu trúc chính xác của các sao neutron. Điều này có nghĩa gì với việc tuyên bố là vật chất quark hầu như đã được khám phá?

“Vẫn còn một cơ hội nhỏ cho thấy mọi ngôi sao neutron đều được tạo ra chỉ từ vật chất hạt nhân. Những gì chúng ta có khả năng làm là định lượng những gì kịch bản này có thể đòi hỏi. Nói ngắn gọn, hành xử của vật chất hạt nhân đậm đặc sau đó có thể cần phải thực sự đặc biệt. Ví dụ tốc độ của âm thanh có thể cần chạm tới ánh sáng”, Vuorinen giải thích.

Xác định phạm vi bán kính từ các quan sát sóng hấp dẫn

Một yếu tố quan trọng đóng góp vào phát hiện mới này là sự xuất hiện của hai kết quả trong quan sát vật lý thiên văn: việc đo lường được những sóng hấp dẫn từ một cuộc sáp nhập sao neutron và việc dò được các ngôi sao neutron siêu khối lượng với khối lượng gần gấp đôi khối lượng mặt trời.

Vào mùa thu năm 2017, các đài quan sát LIGO và Virgo đã dò được lân đầu tiên các sóng hấp dẫn sinh ra từ sáp nhập của hai sao neutron. Quan sát này đã thiết lập một giới hạn trên rất nghiêm ngặt về một đại lượng gọi là sự biến dạng thủy triều, vốn được đo lường sự nhạy cảm của một cấu trúc sao di chuyển theo với trường hấp dẫn của sao còn lại. Kết quả này đã được sử dụng để tìm được giới hạn trên cho những phạm vi va chạm của các ngôi sao neutron, hóa ra vào khoảng 13 km.

Tương tự, khi quan sát đầu tiên về một sao neutron theo nhiều cách vào năm 1967, những phép đo đạc khối lượng chính xác của các ngôi sao này chỉ được thực hiện trong vòng 20 năm qua hoặc hơn. Phần lớn các ngôi sao với khối lượng được biết một cách chính xác thường rơi vào khoảng 1 đến 1,7 khối lượng sao nhưng thập kỷ qua đã chứng kiến việc dò được ba ngôi sao chạm đến hoặc thậm chí có thể vượt qua một chút với giới hạn gấp đôi khối lượng mặt trời.

Những quan sát mong đợi

Thông tin về phạm vi bán kính và khối lượng sao neutron đã lập tức được coi là giảm đi những bất định liên quan với các đặc tính nhiệt động lực học của khối lượng sao neutron. Điều này giúp hoàn thành phân tích của nhóm nghiên cứu Phần Lan trên bài báo “Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars” được đăng trênNature Physics.

Trong những phân tích mới, các quan sát vật lý thiên văn đã kết hợp những kết quả lý thuyết tiên tiến nhất từ vật lý hạt và vật lý hạt nhân. Điều này cho phép đưa ra một dự đoán chính xác hơn về cái vẫn được gọi là sự tương quan giữa áp suất và mật độ năng lượng của chúng. Một phần không thể thiếu của quá trình này là một kết quả nổi tiếng của Thuyết tương đối rộng, vốn liên quan đến phương trình của trạng thái với sự liên quan giữa những giá trị có thể của bán kính và khối lượng sao neutron.

Từ mùa thu năm 2017, sự sáp nhập của những ngôi sao neutron đã được quan sát, và LIGO – Virgo đã nhanh chóng trở thành một phần không thể thiếu trong nghiên cứu về sao neutron. Thông tin mới về những quan sát được tập hợp một cách nhanh chóng đã đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ chính xác của phát hiện mới từ Phần Lan, và trong sự xác nhận sự tồn tại của vật chất quark bên trong các sao neutron. Với những quan sát thêm nữa được chờ đợi trong tương lai gần, những bất định liên quan với kết quả mới sẽ được giảm bớt một cách tự động.

“Đây là nguyên nhân để chúng ta tin tưởng là thời đại vàng của vật lý thiên văn sóng hấp dẫn mới chỉ bắt đầu, và chúng ta sẽ nhanh chóng chứng kiến rất nhiều bước nhảy vọt như điều mới tìm thấy này trong hiểu biết của chúng ta về tự nhiên”, Vuorinen hào hứng nói.