Pulsars: Món quà của Vũ trụ dành cho vật lí học

Pulsar, những sao neutron siêu đặc, có lẽ là những phòng thí nghiệm vật lí ngoại hạng nhất trong Vũ trụ. Nghiên cứu về những vật thể cực độ và kì lạ này đã mang lại hai giải thưởng Nobel. Các nhà nghiên cứu pulsar đã sẵn sàng tìm hiểu những chi tiết mới của ngành vật lí hạt nhân qua các pulsar, để kiểm tra thuyết tương đối tổng quát trong các điều kiện lực hấp dẫn cực mạnh, và để trực tiếp phát hiện ra sóng hấp dẫn với một chiếc “kính thiên văn” gần bằng kích cỡ Thiên hà của chúng ta.

Sao neutron là tàn dư của những ngôi sao đồ sộ đã nổ dưới dạng sao siêu mới. Chúng nén khối lượng lớn hơn khối lượng Mặt trời vào trong quả cầu có kích cỡ không lớn hơn một thành phố cỡ trung bình, khiến chúng là những vật thể đậm đặc nhất trong Vũ trụ, ngoại trừ những lỗ đen, với chúng khái niệm tỉ trọng còn có ý nghĩa trên phương diện lí thuyết. Pulsar là những sao neutron phát ra những chùm sóng vô tuyến tỏa ra từ hai cực từ của chúng. Khi chuyển động quay của chúng quét một chùm sóng qua Trái đất, các kính thiên văn vô tuyến phát hiện ra nó dưới dạng một “xung” sóng vô tuyến.

Pulsar Vela

Bằng cách đo chính xác khoảng thời gian của những xung như thế, các nhà thiên văn có thể sử dụng pulsar cho những “thí nghiệm” độc nhất vô nhị ở tiền phương của vật lí học hiện đại. Ba nhà khoa học đã trình bày kết quả của một nghiên cứu như vậy, và triển vọng của những khám phá trong tương lai, tại cuộc họp của Hiệp hội Mĩ Vì Sự tiến bộ của Khoa học ở Vancouver, British Columbia.

Pulsar nằm ở tiền phương của nghiên cứu về lực hấp dẫn. Albert Einstein đã công bố lí thuyết tương đối tổng quát của ông vào năm 1916, và bản mô tả của ông về bản chất của lực hấp dẫn cho đến nay vẫn trụ vững qua vô số phép kiểm tra thực nghiệm. Tuy nhiên, vẫn có những lí thuyết đang cạnh tranh với thuyết tương đối tổng quát.

“Nhiều lí thuyết thay thế cũng xuất sắc như thuyết tương đối tổng quát trong việc dự đoán hành trạng trong hệ mặt trời của chúng ta. Tuy nhiên, có một chỗ chúng không dự đoán giống nhau là trong môi trường cực đặc của một sao neutron,” phát biểu của Ingrid Stairs ở trường Đại học British Columbia.

Trong một số lí thuyết thay thế, hành trạng hấp dẫn phải biến thiên dựa trên cấu trúc bên trong của sao neutron.

“Bằng cách đo cẩn thận khoảng thời gian của các xung pulsar, chúng ta có thể đo chính xác các tính chất của sao neutron. Một số bộ dữ liệu quan sát cho thấy chuyển động của pulsar không phụ thuộc vào cấu trúc của chúng, cho nên đến nay thì thuyết tương đối tổng quát vẫn an toàn,” Stairs giải thích.

Nghiên cứu mới đây về pulsar trong những hệ sao đôi có những sao neutron khác, và, trong một trường hợp, với một pulsar khác, mang lại những phép kiểm tra tốt nhất từ trước đến nay của thuyết tương đối tổng quát trong trường hấp dẫn rất mạnh. Người ta trông đợi độ chính xác của phép đo như vậy sẽ còn tốt hơn trong tương lai, Stairs nói.

Một dự đoán khác của thuyết tương đối tổng quát là chuyển động của những khối lượng trong Vũ trụ phải gây ra những nhiễu loạn của không-thời gian dưới dạng sóng hấp dẫn. Những con sóng như vậy cho đến nay chưa được phát hiện ra trực tiếp, nhưng nghiên cứu về các pulsar trong những hệ sao đôi đã cung cấp bằng chứng gián tiếp cho sự tồn tại của chúng. Công trình đó đã giành Giải Nobel năm 1993.

Nay các nhà thiên văn đang sử dụng các pulsar trong Dải Ngân hà làm một thiết bị khoa học khổng lồ để trực tiếp phát hiện ra sóng hấp dẫn.

“Pulsar là những cái đồng hồ cực kì chính xác đến mức chúng ta có thể sử dụng chúng để phát hiện ra sóng hấp dẫn trong một ngưỡng tần số mà không có thí nghiệm nào khác có độ nhạy như vậy,” phát biểu của Benjamin Stappers thuộc trường Đại học Manchester ở Anh.

Bằng cách đo tỉ mỉ khoảng thời gian của các xung pulsar phân tán rộng trong Thiên hà của chúng ta, các nhà thiên văn hi vọng đo được những biến thiên nhỏ gây ra bởi sự đi qua của những con sóng hấp dẫn. Các nhà khoa học hi vọng những Ma trận Đồng hồ Pulsar như vậy có thể phát hiện ra sóng hấp dẫn gây ra bởi chuyển động của những cặp lỗ đen siêu khối trong Vũ trụ sơ khai, các dây vũ trụ, và có khả năng có nguyên nhân từ những sự kiện kì lạ khác nữa trong vài ba giây đầu tiên sau Big Bang.

“Hiện nay, chúng tôi chỉ mới có thể đặt ra các giới hạn cho sự tồn tại của những sóng tần số rất thấp đang tìm kiếm, nhưng chúng tôi hi vọng với sự mở rộng theo kế hoạch và những chiếc kính thiên văn mới sẽ mang lại sự phát hiện trực tiếp trong vòng thập niên tới,” Stairs nói.

Với tỉ trọng cao gấp vài lần tỉ trọng trong hạt nhân nguyên tử, các pulsar là những phòng thí nghiệm độc đáo dành cho ngành vật lí hạt nhân. Các chi tiết vật lí của những vật thể đậm đặc như thế vẫn chưa được hiểu rõ.

“Bằng cách đo khối lượng của các sao neutron, chúng ta có thể đặt những ràng buộc lên cơ sở vật lí nội tại của chúng,” phát biểu của Scott Ransom thuộc Đài thiên văn Vô tuyến Quốc gia Anh. “Chỉ trong vòng ba đến bốn năm qua, chúng tôi đã tìm thấy một số sao neutron đồ sộ mà do khối lượng lớn của chúng nên đã bác bỏ một số đề xuất kì lạ cho cái đang diễn ra tại tâm của các sao neutron,” Ransom nói.

Nghiên cứu vẫn đang tiếp tục, và những phép đo thêm nữa là cần thiết. “Các nhà lí thuyết thật khéo léo, nên khi chúng tôi cung cấp thêm dữ liệu, họ sẽ sửa những mô hình kì lạ của mình cho khớp với cái chúng tôi tìm thấy,” Ransom nói.

Lucky_Rua – thuvienvatly.com
Nguồn: National Radio Astronomy Observatory (web)

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn