Phải mất 512 năm để một photon năng lượng cao đi từ ngôi sao neutron gần nhất đến Trái đất. Chỉ một vài trong số họ thực hiện chuyến đi. Nhưng họ mang thông tin cần thiết để giải quyết một trong những câu hỏi khó nhất trong vật lý thiên văn.
Các photon bắn vào không gian trong một cơn sốt năng lượng. Những chùm năng lượng tia X nóng phát ra từ bề mặt của tàn dư siêu nhỏ, siêu nhỏ, quay tròn của một siêu tân tinh. Các chùm phân tán trong nhiều thế kỷ dài trong quá cảnh. Nhưng thỉnh thoảng, một chấm ánh sáng tia X truyền đi được 157 phân tích (512 năm ánh sáng) trên không gian - gấp 32 triệu lần khoảng cách giữa Trái đất và mặt trời - mở rộng so với X của Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) kính viễn vọng -ray, biệt danh là NICER. Sau đó, trên Trái đất, một tệp văn bản nhập vào một điểm dữ liệu mới: năng lượng của photon và thời gian đến của nó, được đo với độ chính xác đến micro giây.
Điểm dữ liệu đó, cùng với vô số những thứ khác giống như được thu thập trong suốt nhiều tháng, sẽ trả lời một câu hỏi cơ bản ngay sau mùa hè 2018: J0437-4715, hàng xóm sao neutron gần nhất của Trái đất rộng bao nhiêu?
Nếu các nhà nghiên cứu có thể tìm ra chiều rộng của một ngôi sao neutron, nhà vật lý Sharon Morsink đã nói với đám đông các nhà khoa học tại cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ (APS) tháng 4 năm 2018, thông tin đó có thể chỉ ra cách giải quyết một trong những bí ẩn lớn của vật lý hạt: vật chất có hành xử khi bị đẩy đến cực đoan nhất của nó?
Trên trái đất, với công nghệ hiện có của loài người, có một số giới hạn cứng về mức độ vật chất có thể có được, ngay cả trong các phòng thí nghiệm khắc nghiệt và thậm chí giới hạn khó hơn về thời gian mà các nhà khoa học dày nhất có thể tồn tại. Điều đó có nghĩa là các nhà vật lý đã không thể tìm ra cách các hạt hoạt động với mật độ cực cao. Không có nhiều thí nghiệm tốt có sẵn.
"Có một số phương pháp khác nhau mà mọi người nghĩ ra để nói rằng vật chất siêu dày đặc nên hành xử như thế nào, nhưng họ không đồng ý," Morsink, nhà vật lý tại Đại học Alberta và là thành viên của nhóm làm việc của NASA tập trung vào chiều rộng của các sao neutron, nói với Live Science. "Và cách mà tất cả họ không đồng ý thực sự có thể được kiểm tra bởi vì mỗi người trong số họ đưa ra dự đoán về việc một ngôi sao neutron có thể lớn đến mức nào."
Nói cách khác, giải pháp cho bí ẩn của vật chất siêu âm bị khóa bên trong một số vật thể dày đặc nhất của vũ trụ - sao neutron. Và các nhà khoa học có thể phá vỡ bí ẩn đó ngay khi họ đo chính xác mức độ sao (và, do đó, dày đặc) sao neutron thực sự.
Vật lý hạt trong không gian sâu
"Sao neutron là những vật thể kỳ quặc nhất mà hầu hết mọi người chưa bao giờ nghe thấy", nhà khoa học NASA Zaven Arzoumanian nói với các nhà vật lý tại cuộc họp ở Columbus, Ohio.
Arzoumanian là một trong những người đứng đầu dự án Nhà thám hiểm sáng tác nội thất sao neutron (NASA) của NASA, tạo thành cơ sở kỹ thuật cho công việc của Morsink. NICER là một kính viễn vọng lớn, xoay được gắn trên ISS; nó theo dõi và nhân đôi chính xác các tia X đến trong khu vực quỹ đạo Trái đất thấp từ không gian sâu.
Một ngôi sao neutron là lõi bị bỏ lại sau vụ nổ siêu tân tinh khổng lồ, nhưng nó được cho là không rộng hơn nhiều so với một thành phố hạng trung. Các sao neutron có thể quay với tốc độ cao của tốc độ ánh sáng, bắn ra những chùm năng lượng tia X nhấp nháy vào không gian với thời gian chính xác hơn so với tiếng tích tắc của đồng hồ nguyên tử.
Và quan trọng nhất đối với mục đích của Morsink và các đồng nghiệp của cô, sao neutron là những vật thể dày đặc nhất được biết đến trong vũ trụ không sụp đổ thành hố đen - nhưng không giống như lỗ đen, các nhà khoa học có thể tìm ra những gì diễn ra bên trong chúng. Các nhà thiên văn học chỉ cần biết chính xác các ngôi sao neutron thực sự rộng đến mức nào, và NICER là công cụ cuối cùng sẽ trả lời câu hỏi đó.
Súp quark
Các nhà khoa học không biết chính xác vật chất hoạt động như thế nào trong lõi cực của một ngôi sao neutron, nhưng họ đủ hiểu rằng nó rất kỳ lạ.
Daniel Watts, một nhà vật lý hạt tại Đại học Edinburgh, đã nói với một khán giả riêng biệt tại hội nghị APS rằng phần bên trong của một ngôi sao neutron về cơ bản là một dấu hỏi lớn.
Các nhà khoa học có một số phép đo tuyệt vời về khối lượng sao neutron. Ví dụ, khối lượng của J0437-4715 gấp khoảng 1,44 lần so với mặt trời, mặc dù có kích thước nhỏ hơn hoặc thấp hơn Manhattan. Điều đó có nghĩa là, Morsink nói, J0437-4715 dày đặc hơn nhiều so với hạt nhân của một nguyên tử - cho đến nay, vật thể dày đặc nhất mà các nhà khoa học gặp phải trên Trái đất, nơi phần lớn vật chất của nguyên tử tập hợp chỉ trong một đốm nhỏ ở trung tâm.
Ở mức độ mật độ đó, Watts giải thích, không rõ vấn đề hành xử thế nào. Quark, các hạt nhỏ tạo nên neutron và proton, tạo nên các nguyên tử, không thể tự tồn tại. Nhưng khi vật chất đạt đến mật độ cực cao, các hạt quark có thể liên kết thành các hạt tương tự như các hạt trên Trái đất, hoặc tạo thành các hạt lớn hơn, phức tạp hơn hoặc có thể kết hợp hoàn toàn với nhau thành một loại súp hạt tổng quát hơn.
Những gì các nhà khoa học biết, Watts nói với Live Science, là các chi tiết về cách vật chất hành xử với mật độ cực đoan sẽ quyết định mức độ sao của các sao neutron thực sự có được. Vì vậy, nếu các nhà khoa học có thể đưa ra các phép đo chính xác của các sao neutron, họ có thể thu hẹp phạm vi khả năng đối với cách vật chất hành xử trong những điều kiện khắc nghiệt đó.
Và trả lời câu hỏi đó, Watts nói, có thể mở khóa câu trả lời cho tất cả các loại bí ẩn vật lý hạt không liên quan gì đến các sao neutron. Ví dụ, ông nói, nó có thể giúp trả lời cách các neutron riêng lẻ tự sắp xếp trong hạt nhân của các nguyên tử rất nặng.
Các phép đo NICER mất thời gian
Hầu hết các sao neutron, Morsink nói, được cho là giữa khoảng 12 và 17 dặm (20 đến 28 km) rộng, mặc dù họ có thể là hẹp như 10 dặm (16 km). Đó là một phạm vi rất hẹp về mặt thiên văn học nhưng không đủ chính xác để trả lời các loại câu hỏi mà Morsink và các đồng nghiệp của cô quan tâm.
Để nhấn vào câu trả lời chính xác hơn nữa, Morsink và các đồng nghiệp của cô nghiên cứu tia X đến từ các "điểm nóng" quay nhanh trên các sao neutron.
Mặc dù các sao neutron là những quả cầu nhỏ gọn đến khó tin, nhưng từ trường của chúng khiến năng lượng phát ra từ bề mặt của chúng khá không đều. Các mảng sáng hình thành và hình nấm trên bề mặt của chúng, xoay quanh thành vòng tròn khi các ngôi sao quay nhiều lần trong một giây.
Đó là nơi mà NICER xuất hiện. NICER là một kính viễn vọng lớn, có thể xoay được gắn trên ISS, có thể điều chỉnh thời gian ánh sáng đến từ những miếng vá đó với độ đều đặn đáng kinh ngạc.
Điều đó cho phép Morsink và các đồng nghiệp của cô nghiên cứu hai điều, cả hai điều này có thể giúp họ tìm ra bán kính của một ngôi sao neutron:
1. Tốc độ quay: Khi ngôi sao neutron quay tròn, Morsink nói, điểm sáng trên bề mặt của nó nháy mắt về phía trước và cách xa Trái đất gần giống như chùm tia từ một ngọn hải đăng quay tròn. Morsink và các đồng nghiệp của cô có thể nghiên cứu cẩn thận dữ liệu NICER để xác định chính xác cả hai lần ngôi sao đang nháy mắt và chính xác điểm sáng di chuyển trong không gian nhanh như thế nào. Và tốc độ chuyển động của điểm sáng là một hàm của tốc độ quay của sao và bán kính của nó. Nếu các nhà nghiên cứu có thể tìm ra vòng quay và tốc độ, bán kính tương đối dễ xác định.
2. Uốn nhẹ: Các sao neutron dày đặc đến mức NICER có thể phát hiện các photon từ điểm sáng của ngôi sao bắn vào không gian trong khi vị trí đó chỉ cách Trái đất. Trọng lực của một ngôi sao neutron có thể bẻ cong ánh sáng mạnh đến mức các photon của nó quay về phía trước và đập vào cảm biến của NICER. Tốc độ cong của ánh sáng cũng là một hàm của bán kính của sao và khối lượng của nó. Vì vậy, bằng cách nghiên cứu cẩn thận một ngôi sao có khối lượng lớn được biết đến cong như thế nào, Morsink và các đồng nghiệp của cô có thể tìm ra bán kính của ngôi sao.
Và các nhà nghiên cứu gần công bố kết quả của họ, Morsink nói. (Một số nhà vật lý tại buổi nói chuyện APS của cô đã bày tỏ một số thất vọng nhẹ rằng cô đã không công bố một con số cụ thể và phấn khích rằng nó sẽ đến.)
Morsink nói với Live Science rằng cô ấy không cố gắng trêu chọc thông báo sắp tới. NICER chưa thu thập đủ photon để nhóm đưa ra câu trả lời hay.
"Nó giống như lấy một chiếc bánh ra khỏi lò quá sớm: Bạn chỉ cần kết thúc với một mớ hỗn độn", cô nói.
Nhưng các photon đang đến, từng cái một, trong những tháng nghiên cứu định kỳ của NICER. Và một câu trả lời đang đến gần. Ngay bây giờ, nhóm nghiên cứu đang xem xét dữ liệu từ J0437-4715 và ngôi sao neutron gần nhất tiếp theo của Trái đất, cách xa khoảng hai lần.
Morsink cho biết cô không chắc bán kính của sao neutron nào mà cô và các đồng nghiệp sẽ công bố trước, nhưng cô nói thêm rằng cả hai thông báo sẽ đến trong vòng vài tháng.
"Mục đích là để điều này xảy ra sau này vào mùa hè này, nơi" mùa hè "đang được sử dụng theo nghĩa khá rộng", cô nói. "Nhưng tôi sẽ nói rằng vào tháng 9, chúng ta nên có một cái gì đó."
