Hàng tỷ năm kể từ bây giờ, khi mặt trời ở trong cái chết cuối cùng của nó (nghĩa là sau khi nó đã bốc hơi Trái đất), lõi helium của nó sẽ tự sụp đổ, co lại thành một quả bóng khí nén chặt được gọi là sao lùn trắng .
Nhưng trong khi những ngôi mộ sao đã chấm vào cảnh quan thiên hà của chúng ta, nội thất của chúng vẫn là một câu đố trong vật lý - điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì chúng kỳ lạ đến mức nào.
Gần đây, một cặp nhà nghiên cứu đã tạo ra một mô hình tinh vi để "nhìn vào" bên trong của sao lùn trắng. Và đoán xem? Những quả bóng kỳ quặc vũ trụ này có thể khiến nấm cục Trái đất phải xấu hổ, vì chúng dường như có các trung tâm kem chứa đầy chất lỏng lượng tử kỳ lạ.
Ngôi sao từng tự hào
Những ngôi sao như mặt trời của chúng ta có được năng lượng của chúng bằng cách nung chảy hydro thành helium sâu trong lõi của chúng. Năng lượng này không thể tồn tại mãi mãi - cuối cùng, hydro có sẵn sẽ hết và cả nhóm dừng lại. Nhưng gần cuối đời, các ngôi sao có thể nhanh chóng bật đèn trở lại bằng cách đốt cháy khí heli, để lại một lõi carbon và oxy trơ trơ.
Nhưng những ngôi sao nhỏ như mặt trời của chúng ta không có đủ lực hấp dẫn để hợp nhất carbon và oxy vào bất kỳ nguyên tố nặng nào như magiê hoặc sắt, và vì vậy chúng sẽ chết, biến mình từ trong ra ngoài và giải phóng bầu khí quyển của chúng thành một (hoặc khí phách, tùy thuộc vào bạn quan điểm) tinh vân hành tinh.
Lõi carbon và oxy đó vẫn ở phía sau, một phần đáng kể khối lượng của ngôi sao bị khóa bên trong lõi không lớn hơn Trái đất. Khi các nhà thiên văn học lần đầu tiên phát hiện ra những vật thể lạ này - hiện được gọi là sao lùn trắng - họ nghĩ rằng chúng là không thể, với mật độ tính toán tăng vọt lên trên một tỷ lần so với không khí chúng ta hít thở. Làm thế nào một cái gì đó có thể có mật độ cực đoan như vậy và không chỉ đơn giản là sụp đổ dưới trọng lượng khủng khiếp của chính nó?
Nhưng sao lùn trắng không phải là không thể, và những hiểu biết lý thuyết vào đầu thế kỷ 20 đã giải đáp bí ẩn về cách sao lùn trắng có thể tồn tại. Câu trả lời được đưa ra dưới dạng cơ học lượng tử, và nhận ra rằng ở mật độ cao, tự nhiên, nói một cách đơn giản, rất kỳ lạ. Trong trường hợp sao lùn trắng, chỉ có một số lượng điện tử nhất định có thể được đóng gói bên trong. Vì các electron quay tròn đẩy nhau, chúng cùng nhau tạo ra áp lực đủ để giữ cho các ngôi sao chết bay lên, chịu được cả lực hấp dẫn gần như áp đảo.
Và vì vậy, các xác chết sao có thể sống trong hàng nghìn tỷ năm.
Trung tâm đầy kem
Trong khi những tính toán ban đầu cho thấy sao lùn trắng có thể tồn tại trong vũ trụ của chúng ta như thế nào, các nhà vật lý thiên văn biết rằng những mô tả đơn giản sẽ không nắm bắt được hoàn toàn những gì xảy ra trong lõi kỳ lạ như vậy. Rốt cuộc, đây là một trạng thái vật chất hoàn toàn không thể tiếp cận được với các phòng thí nghiệm và thí nghiệm ở đây trên Trái đất - ai biết được những trò chơi kỳ lạ mà thiên nhiên có thể gặp phải, sâu bên trong những trái tim đã chết này?
Các nhà vật lý và nhà thiên văn học đã tự hỏi về nội thất của sao lùn trắng trong nhiều thập kỷ nay và trong một bài báo gần đây xuất hiện trên tạp chí in trước arXiv, một cặp nhà vật lý lý thuyết người Nga đã đề xuất một mô hình mới về lõi sâu trong sao lùn trắng, chi tiết như thế nào mô hình của họ dựa trên và đi chệch khỏi công việc trước đó và làm thế nào các nhà quan sát có thể biết liệu mô hình mới của họ có chính xác hay không.
Trong mô hình mới này, các nhà khoa học đã mô phỏng lõi của sao lùn trắng chỉ được tạo thành từ một loại hạt nhân tích điện nặng (điều này không hoàn toàn chính xác, vì sao lùn trắng là hỗn hợp của một số nguyên tố như carbon và oxy, nhưng đó là một điểm khởi đầu đủ tốt), với các hạt này được ngâm trong một súp điện tử dày.
Thiết lập này giả định rằng các sao lùn trắng đủ ấm để có nội thất lỏng, đó là một giả định hợp lý, cho rằng khi chúng được sinh ra (hay đúng hơn là khi cuối cùng chúng bị phơi bày sau cái chết của các ngôi sao chủ của chúng), chúng có nhiệt độ tốt vượt quá một triệu độ kelvins.
Các lớp ngoài cùng của sao lùn trắng tiếp xúc với môi trường lạnh lẽo của chân không thuần khiết, cho phép hydro lắng xuống bề mặt, tạo cho chúng bầu không khí nhẹ, mỏng. Và trong thời gian cực đoan, các sao lùn trắng hạ nhiệt, cuối cùng tạo thành một tinh thể khổng lồ, nhưng đủ lâu để phần lớn, các sao lùn trắng chứa đầy một chất lỏng lượng tử kỳ lạ của carbon và oxy, vì vậy mô hình được sử dụng trong nghiên cứu này là tương đối chính xác cho một phần lớn cuộc đời của sao lùn trắng.
Bề mặt chữ ký
Vì ruột lùn trắng đại diện cho một trong những môi trường khác thường nhất trong vũ trụ, nghiên cứu chúng có thể tiết lộ một số tính chất sâu sắc của cơ học lượng tử trong điều kiện khắc nghiệt. Nhưng vì các nhà khoa học không bao giờ có thể hy vọng lên dây cót trong một ngôi sao lùn trắng gần đó để mang nó vào hoạt động, làm thế nào chúng ta có thể có được một cái nhìn dưới mui xe?
Các nhà nghiên cứu của mô hình mới đã chỉ ra làm thế nào ánh sáng phát ra từ các sao lùn trắng có thể khác nhiệt. Sao lùn trắng không tự tạo nhiệt; nhiệt độ cực mạnh của chúng là kết quả của áp lực hấp dẫn cực độ mà chúng phải đối mặt khi chúng ở trong các ngôi sao. Nhưng một khi ngôi sao chủ của chúng thổi bay và chúng tiếp xúc với không gian, chúng phát sáng mạnh mẽ - trong vài nghìn năm đầu sau khi tiết lộ lớn, chúng nóng đến mức chúng phát ra bức xạ tia X.
Nhưng họ hạ nhiệt, làm rất chậm, làm giảm nhiệt của họ khi bức xạ vào không gian. Và chúng ta đã quan sát những ngôi sao lùn trắng đủ lâu để chúng ta có thể thấy chúng nguội đi trong suốt nhiều năm và nhiều thập kỷ. Làm thế nào nhanh chóng họ làm mát phụ thuộc vào hiệu quả nhiệt bị mắc kẹt của họ có thể thoát ra bề mặt của họ - điều này phụ thuộc vào bản chất chính xác của ruột của họ.
Một tính năng khác mà các nhà nghiên cứu cho thấy có thể được sử dụng để thăm dò bên trong các sao lùn trắng là sự chao đảo rất nhẹ của chúng. Akin theo cách địa chấn được sử dụng để nghiên cứu lõi Trái đất, trang điểm và đặc tính của một sao lùn trắng thay đổi cách các rung động sẽ hiển thị trên bề mặt.
Cuối cùng, chúng ta có thể sử dụng quần thể sao lùn trắng để có gợi ý về nội thất của chúng, vì mối quan hệ giữa khối lượng và kích thước của chúng phụ thuộc vào mối quan hệ cơ học lượng tử chính xác chi phối nội thất của chúng.
Đặc biệt, nghiên cứu mới cho thấy hầu hết các sao lùn trắng nên hạ nhiệt nhanh hơn chúng ta thường nghĩ, rung động ít hơn so với các mô hình cũ gợi ý và lớn hơn một chút so với dự kiến so với khi chúng ta không tính đến mô hình thực tế hơn này. Bây giờ, các nhà thiên văn học phải thực hiện các phép đo đủ chính xác để xem liệu chúng ta có thực sự hiểu những môi trường kỳ lạ này hay không, nếu chúng ta cần thực hiện một vết nứt khác.
- 8 cách bạn có thể thấy thuyết tương đối của Einstein trong đời thực
- 11 sự thật hấp dẫn về dải ngân hà của chúng ta
- 11 câu hỏi lớn nhất chưa được trả lời về vấn đề đen tối
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của Vị trí của bạn trong vũ trụ.
