Sau khi một vụ nổ siêu tân tinh loại II biến mất, tất cả những gì còn lại là một ngôi sao neutron hoặc một thứ gì đó kỳ lạ hơn, một lỗ đen. Chúng tôi sẽ mô tả các tính chất của lỗ đen trong chương Lỗ đen và Không thời gian cong, nhưng hiện tại, chúng tôi muốn kiểm tra xem các sao neutron mà chúng ta đã thảo luận trước đó có thể trở nên quan sát được như thế nào.

Sao neutron là những vật thể đặc nhất trong vũ trụ; lực hấp dẫn trên bề mặt của chúng lớn hơn 10¹¹ lần so với những gì chúng ta trải nghiệm trên bề mặt Trái Đất. Bên trong sao neutron bao gồm khoảng 95% neutron, với một số lượng nhỏ các proton và electron trộn lẫn vào. Thực tế, sao neutron là một hạt nhân nguyên tử khổng lồ, có khối lượng khoảng 1057 lần khối lượng của một proton. Đường kính của nó giống kích thước của một thị trấn nhỏ hoặc một tiểu hành tinh hơn là một ngôi sao. (Bảng 23.3 so sánh các đặc tính của sao neutron và sao lùn trắng.) Bởi vì nó quá nhỏ, một ngôi sao neutron có thể soi qua bạn như là vật thể ít có khả năng được quan sát nhất từ ​​cách xa hàng nghìn năm ánh sáng. Tuy nhiên, các ngôi sao neutron vẫn cố gắng báo hiệu sự hiện diện của chúng trên các “vùng vịnh” không gian rộng lớn.

Bảng 23.3 Thuộc tính của một sao lùn trắng điển hình và một sao neutron.

Sự khám phá các ngôi sao neutron

Năm 1967, Jocelyn Bell, một sinh viên nghiên cứu tại Đại học Cambridge, đang nghiên cứu các nguồn vô tuyến xa bằng một máy dò đặc biệt do người hướng dẫn của cô, Antony Hewish, thiết kế và chế tạo để tìm ra các biến thể nhanh chóng của tín hiệu vô tuyến. Các máy tính của dự án phun ra những cuộn giấy cho biết nơi kính thiên văn đã khảo sát bầu trời và nhiệm vụ của các sinh viên cao học của Hewish là xem qua tất cả, tìm kiếm các hiện tượng thú vị. Vào tháng 9 năm 1967, Bell phát hiện ra cái mà cô ấy gọi là “một chút cộc cằn” —một tín hiệu vô tuyến kỳ lạ không giống bất cứ thứ gì từng thấy trước đây.

Những gì Bell đã tìm thấy, trong khu vực chòm sao Hồ Ly (Vulpecula), là một nguồn xung bức xạ vô tuyến nhanh, sắc nét, cường độ cao và cực kỳ đều đặn. Giống như tiếng tích tắc thông thường của đồng hồ, các xung đến chính xác sau mỗi 1,33728 giây. Độ chính xác như vậy đầu tiên khiến các nhà khoa học suy đoán rằng có lẽ họ đã tìm thấy tín hiệu từ một nền văn minh thông minh. Các nhà thiên văn vô tuyến thậm chí còn gọi một cách nửa đùa nửa thật nguồn là “LGM” dành cho “những người xanh nhỏ” (little green men). Tuy nhiên, ngay sau đó, ba nguồn tương tự đã được phát hiện ở các hướng cách xa nhau trên bầu trời.

Khi rõ ràng rằng loại nguồn vô tuyến này khá phổ biến, các nhà thiên văn học kết luận rằng chúng rất khó có khả năng là tín hiệu từ các nền văn minh khác. Cho đến ngày nay, gần 3000 nguồn như vậy đã được phát hiện; ngày nay chúng được gọi là sao xung (pulsar, viết tắt của pulsating radio sources, tức “các nguồn vô tuyến tạo xung”).

Chu kỳ xung của các pulsar khác nhau từ dài hơn 1/1000 giây đến gần 10 giây một chút. Lúc đầu, các sao xung có vẻ đặc biệt bí ẩn vì không thể nhìn thấy gì ở vị trí của chúng trên các bức ảnh ánh sáng nhìn thấy. Nhưng sau đó một sao xung được phát hiện ngay tại trung tâm của Tinh vân Con Cua, một đám mây khí sinh ra bởi SN 1054, một siêu tân tinh được người Trung Quốc ghi lại vào năm 1054 (Hình 23.14). Năng lượng từ pulsar Tinh vân Con Cua phát ra thành những vụ nổ mạnh xảy ra 30 lần mỗi giây — với tần suất đều đặn có thể khiến các nhà chế tác đồng hồ Thụy Sĩ phải ghen tị. Ngoài các xung năng lượng vô tuyến, chúng ta có thể quan sát các xung ánh sáng nhìn thấy và tia X từ Tinh vân Con Cua. Thực tế là sao xung chỉ hiện diện ở trong vùng tàn dư của siêu tân tinh, nơi chúng ta thường mong đợi một ngôi sao neutron còn sót lại, điều này ngay lập tức cảnh báo các nhà thiên văn rằng sao xung có thể có liên quan với những "xác chết" khó phát hiện của các ngôi sao nặng.

Hình 23.14 Tinh vân Con Cua. Hình ảnh này cho thấy sự phát xạ tia X từ Tinh vân Con Cua, cách chúng ta khoảng 6500 năm ánh sáng. Sao xung là điểm sáng ở trung tâm của các vòng đồng tâm. Dữ liệu được thực hiện trong khoảng một năm cho thấy rằng các hạt đi ra khỏi vòng bên trong với tốc độ bằng một nửa tốc độ ánh sáng. Luồng sáng vuông góc với vòng này là một dòng vật chất và các phản electron cũng chuyển động với vận tốc bằng một nửa vận tốc ánh sáng. (tín dụng: sửa đổi công việc của NASA / CXC / SAO)

Tinh vân Con Cua là một vật thể hấp dẫn. Toàn bộ tinh vân phát sáng với bức xạ ở nhiều bước sóng và năng lượng tổng thể của nó gấp 100.000 lần Mặt Trời - đây không phải là một thủ thuật tồi đối với tàn tích của một siêu tân tinh đã phát nổ gần một nghìn năm trước. Các nhà thiên văn học sớm bắt đầu tìm kiếm mối liên hệ giữa pulsar và sản lượng năng lượng lớn của tinh vân xung quanh.

LIÊN KẾT ĐỂ HỌC

Đọc bản ghi cuộc phỏng vấn thú vị với Jocelyn Bell (Burnell) để tìm hiểu về cuộc sống và công việc của cô ấy (đây là một phần của dự án tại Viện Vật lý Hoa Kỳ nhằm ghi lại các cuộc phỏng vấn với các nhà khoa học đột phá khi họ vẫn còn sống).

Mô hình ngọn hải đăng quay

Bằng cách áp dụng sự kết hợp giữa lý thuyết và quan sát, các nhà thiên văn học cuối cùng đã kết luận rằng các sao xung phải là các sao neutron quay. Theo mô hình này, một ngôi sao neutron giống như một ngọn hải đăng trên một bờ biển đá (Hình 23.15). Để cảnh báo các con tàu ở mọi hướng và không tốn quá nhiều chi phí vận hành, ánh sáng của một ngọn hải đăng hiện đại sẽ quay, quét chùm tia của nó qua vùng biển tối. Từ vị trí thuận lợi của một con tàu, bạn nhìn thấy một xung ánh sáng mỗi khi chùm tia hướng theo hướng của bạn. Theo cách tương tự, bức xạ từ một vùng nhỏ trên sao neutron quét qua các đại dương không gian, tạo cho chúng ta một xung bức xạ mỗi khi chùm tia hướng về Trái đất.

Hình 23.15 Ngọn hải đăng. Một ngọn hải đăng ở Bãi Cháy cảnh báo các tàu trên đại dương không được đến quá gần đường bờ nguy hiểm. Phần được chiếu sáng ở trên cùng quay để chùm sáng của nó có thể bao phủ mọi hướng. (tín dụng: Hien PHAN)

Các ngôi sao neutron là những ứng cử viên lý tưởng cho một công việc như vậy bởi vì sự sụp đổ đã khiến chúng trở nên nhỏ bé đến mức chúng có thể quay rất nhanh. Hãy nhớ lại nguyên lý bảo toàn mômen động lượng từ chương Tổng hợp vĩ đại của Newton: nếu một vật nhỏ đi, nó có thể quay nhanh hơn. Ngay cả khi ngôi sao mẹ quay rất chậm khi nó ở trên dãy chính, vòng quay của nó vẫn phải tăng tốc khi nó sụp đổ để tạo thành một ngôi sao neutron. Với đường kính chỉ từ 10 đến 20 km, một ngôi sao neutron có thể hoàn thành một vòng quay đầy đủ chỉ trong một phần của giây. Đây chính là khoảng thời gian mà chúng ta quan sát được giữa các xung pulsar.

Bất kỳ từ trường nào tồn tại trong ngôi sao ban đầu sẽ bị nén mạnh khi lõi sụp đổ thành một ngôi sao neutron. Tại bề mặt của sao neutron, ở lớp ngoài bao gồm vật chất thông thường (và không chỉ neutron thuần túy), các proton và electron bị cuốn vào trường quay này và được gia tốc gần bằng tốc độ ánh sáng. Chỉ ở hai nơi - cực nam và bắc - các hạt bị mắc kẹt mới có thể thoát khỏi thành lũy của từ trường (Hình 23.16). Hiệu ứng tương tự có thể được nhìn thấy (ngược lại) trên Trái Đất, nơi các hạt mang điện từ không gian bị từ trường của hành tinh chúng ta ngăn cản ở mọi nơi ngoại trừ gần các cực. Do đó, cực quang của Trái Đất (gây ra khi các hạt tích điện va vào bầu khí quyển ở tốc độ cao) chủ yếu được nhìn thấy gần các cực.

Hình 23.16 Mô hình của một sao xung. Một biểu đồ cho thấy cách các chùm bức xạ tại các cực từ của một ngôi sao neutron có thể tạo ra các xung phát xạ khi ngôi sao quay. Khi mỗi chùm tia quét qua Trái đất, giống như một chùm ngọn hải đăng quét qua một con tàu ở xa, chúng ta thấy một xung bức xạ ngắn. Mô hình này yêu cầu các cực từ được đặt ở những nơi khác với các cực quay. (tín dụng “sao”: sửa đổi tác phẩm của Tony Hisgett)

Lưu ý rằng trong một ngôi sao neutron, các cực nam và bắc của từ trường không nhất thiết phải ở bất kỳ vị trí nào gần với các cực bắc và nam được xác định bởi chuyển động quay của ngôi sao. Theo cách tương tự, chúng ta đã thảo luận trong chương về Các hành tinh khổng lồ rằng các cực từ trên hành tinh Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương không thẳng hàng với các cực của vòng quay của hành tinh. Hình 23.16 cho thấy các cực của từ trường vuông góc với các cực quay, nhưng hai loại cực có thể tạo với nhau một góc bất kỳ.

Trên thực tế, sự lệch trục quay với trục từ đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra các xung quan sát được trong mô hình này. Tại hai cực từ, các hạt từ sao neutron được hội tụ thành một chùm hẹp và phóng ra khỏi vùng từ trường xoáy với tốc độ cực lớn. Chúng phát ra năng lượng trên một phạm vi rộng của phổ điện từ. Bản thân bức xạ cũng bị giới hạn trong một chùm hẹp, điều này giải thích tại sao sao xung hoạt động giống như một ngọn hải đăng. Khi chuyển động quay mang một cực từ và sau đó đến cực từ khác của ngôi sao vào tầm nhìn của chúng ta, chúng ta sẽ thấy một xung bức xạ mỗi lần.

Kiểm tra mô hình

Giải thích về sao xung dưới dạng chùm bức xạ từ các sao neutron có từ tính cao và quay nhanh là một ý tưởng rất thông minh. Nhưng chúng ta có bằng chứng nào cho thấy đó là mô hình chính xác? Đầu tiên, chúng ta có thể đo khối lượng của một số sao xung, và chúng hóa ra nằm trong khoảng 1,4 đến 1,8 lần so với Mặt trời - giống như những gì các nhà lý thuyết dự đoán về sao neutron. Khối lượng được tìm thấy bằng cách sử dụng định luật Kepler cho một số sao xung là thành viên của hệ sao đôi.

Nhưng có một lập luận xác nhận thậm chí còn tốt hơn, đưa chúng ta trở lại Tinh vân Con Cua và sản lượng năng lượng khổng lồ của nó. Khi các hạt mang điện năng lượng cao từ sao neutron đập vào vật chất chuyển động chậm hơn từ siêu tân tinh, chúng cung cấp năng lượng cho vật liệu này và khiến nó "phát sáng" ở nhiều bước sóng khác nhau - giống như những gì chúng ta quan sát được từ Tinh vân Con Cua. Các chùm pulsar là nguồn năng lượng "thắp sáng" tinh vân rất lâu sau vụ nổ ban đầu của ngôi sao tạo ra nó.

Ai là người “thanh toán các hóa đơn” cho tất cả năng lượng mà chúng ta thấy từ một tàn tích như Tinh vân Con Cua? Rốt cuộc, khi năng lượng xuất hiện từ một nơi, nó phải được cạn kiệt ở nơi khác. Nguồn năng lượng cuối cùng trong mô hình của chúng tôi là chuyển động quay của sao neutron, đẩy các hạt tích điện ra ngoài và quay từ trường của nó với tốc độ cực lớn. Khi năng lượng quay của nó được sử dụng để kích thích Tinh vân Con Cua năm này qua năm khác, sao xung bên trong tinh vân quay chậm lại. Khi nó chậm lại, các xung đến ít thường xuyên hơn một chút; thời gian trôi qua nhiều hơn trước khi ngôi sao neutron chậm hơn đưa chùm tia của nó quay trở lại.

Nhiều thập kỷ quan sát cẩn thận giờ đây đã chỉ ra rằng sao xung của Tinh vân Con cua không phải là một chiếc đồng hồ hoàn toàn đều đặn như chúng ta nghĩ ban đầu: thay vào đó, nó đang dần chậm lại. Sau khi đo được xung chậm đi bao nhiêu, chúng ta có thể tính được năng lượng quay mà ngôi sao neutron mất đi là bao nhiêu. Hãy nhớ rằng nó được nén lại rất đặc và quay nhanh một cách đáng kinh ngạc. Ngay cả một sự chậm lại nhỏ cũng có thể đồng nghĩa với việc mất đi nhiều năng lượng.

Trước sự hài lòng của các nhà thiên văn học, năng lượng quay bị mất đi bởi sao xung hóa ra cũng giống như năng lượng xuất hiện từ tinh vân xung quanh nó. Nói cách khác, sự quay chậm lại của một ngôi sao neutron có thể giải thích chính xác lý do tại sao Tinh vân Con Cua lại phát sáng với lượng năng lượng mà chúng ta quan sát được.

Sự tiến hóa của Pulsars

Từ những quan sát về các sao xung được phát hiện cho đến nay, các nhà thiên văn học đã kết luận rằng cứ 25 đến 100 năm lại có một sao xung mới được sinh ra ở đâu đó trong Thiên hà, cùng tốc độ mà các siêu tân tinh được ước tính sẽ xuất hiện. Các tính toán cho thấy tuổi thọ điển hình của một sao xung là khoảng 10 triệu năm; sau đó, sao neutron không còn quay đủ nhanh để tạo ra chùm hạt và năng lượng đáng kể, và không còn quan sát được nữa. Chúng tôi ước tính rằng có khoảng 100 triệu ngôi sao neutron trong Thiên hà của chúng ta, hầu hết chúng quay quá chậm để chúng ta có thể nhận thấy.

Sao xung Con Của khá trẻ (chỉ khoảng 960 tuổi) và có chu kỳ ngắn, trong khi các pulsar khác, cũ hơn đã chậm lại trong thời gian dài hơn. Các sao xung hàng nghìn năm tuổi đã mất quá nhiều năng lượng để phát ra đáng kể ở các bước sóng nhìn thấy và tia X, và chúng chỉ được quan sát dưới dạng các xung vô tuyến; thời gian của chúng là một giây hoặc lâu hơn.

Có một lý do khác khiến chúng ta chỉ có thể nhìn thấy một phần nhỏ các sao xung trong Thiên hà. Hãy xem xét lại mô hình ngọn hải đăng của chúng ta. Trên Trái đất, tất cả các con tàu đều tiếp cận trên cùng một mặt phẳng - bề mặt đại dương - vì vậy, ngọn hải đăng có thể được xây dựng để quét chùm tia của nó trên bề mặt đó. Nhưng trong không gian, các đối tượng có thể ở bất kỳ đâu trong không gian ba chiều. Khi một chùm sao xung nhất định quét qua một vòng tròn trong không gian, hoàn toàn không có gì đảm bảo rằng vòng tròn này sẽ bao gồm hướng của Trái đất. Trên thực tế, nếu bạn nghĩ về nó, nhiều vòng tròn trong không gian sẽ không bao gồm Trái đất hơn số vòng sẽ bao gồm hành tinh Xanh. Do đó, chúng tôi ước tính rằng chúng ta không thể quan sát một số lượng lớn các ngôi sao neutron vì chùm pulsar của chúng hoàn toàn bỏ sót chúng ta.

Đồng thời, hóa ra chỉ có một số sao xung được phát hiện cho đến nay được nhúng trong các đám mây khí có thể nhìn thấy được đánh dấu tàn tích của một siêu tân tinh. Điều này thoạt nghe có vẻ bí ẩn, vì chúng ta biết rằng siêu tân tinh sinh ra sao neutron và chúng ta nên mong đợi mỗi sao xung sẽ bắt đầu cuộc sống của nó trong một vụ nổ siêu tân tinh. Nhưng thời gian tồn tại của một sao xung hóa ra dài hơn khoảng 100 lần so với khoảng thời gian cần thiết để khí giãn nở của tàn tích siêu tân tinh phân tán vào không gian giữa các vì sao. Do đó, hầu hết các sao xung được tìm thấy mà không còn dấu vết nào khác về vụ nổ đã tạo ra chúng.

Ngoài ra, một số sao xung bị đẩy ra bởi một vụ nổ siêu tân tinh không giống nhau theo mọi hướng. Nếu vụ nổ siêu tân tinh mạnh hơn ở một phía, nó có thể đẩy pulsar hoàn toàn ra khỏi tàn tích siêu tân tinh (một số nhà thiên văn học gọi đây là “cú hích sinh”). Chúng ta biết những cú đá như vậy xảy ra bởi vì chúng ta nhìn thấy một số tàn dư siêu tân tinh trẻ trong các thiên hà gần đó, nơi sao xung nằm về một phía của tàn tích và chạy xa với tốc độ vài trăm dặm / giây (Hình 23.17).

Hình 23.17 Tốc độ Pulsar. Hình ảnh hấp dẫn này (kết hợp các quan sát bằng tia X, khả kiến và vô tuyến) cho thấy tia luồng phản lực đi theo sau một pulsar (ở dưới cùng bên phải, xếp hàng giữa hai ngôi sao sáng). Với chiều dài 37 năm ánh sáng, vệt phản lực (nhìn thấy màu tím) là vệt dài nhất từng được quan sát từ một vật thể trong Ngân hà. (Ngoài ra còn có một cái đuôi bí ẩn giống sao chổi ngắn hơn, gần như vuông góc với tia phản lực màu tím.) Di chuyển với tốc độ từ 2,5 đến 5 triệu dặm một giờ, sao xung đang đi ra khỏi lõi của tàn dư siêu tân tinh nơi nó xuất phát . (tín dụng: Tia X: NASA / CXC / ISDC / L.Pavan và cộng sự, Vô tuyến: CSIRO / ATNF / ATCA Quang học: 2MASS / UMass / IPAC-Caltech / NASA / NSF)

Chạm vào một ngôi sao neutron

Vào ngày 27 tháng 12 năm 2004, Trái đất được tắm bằng một luồng bức xạ tia X và tia gamma từ một ngôi sao neutron được gọi là SGR 1806-20. Điều khiến sự kiện này trở nên đáng chú ý là, mặc dù nguồn phát ở khoảng cách xa, sóng bức xạ thủy triều của nó có những tác động có thể đo lường được đối với bầu khí quyển của Trái đất. Độ sáng biểu kiến ​​của vụ nổ tia gamma này lớn hơn bất kỳ vụ nổ sao nào trong lịch sử.

Tác động chính của bức xạ là lên một lớp cao trong bầu khí quyển của Trái đất được gọi là tầng điện ly. Vào ban đêm, tầng điện ly bình thường ở độ cao khoảng 85 km, nhưng vào ban ngày, năng lượng từ Mặt trời ion hóa nhiều phân tử hơn và hạ thấp ranh giới của tầng điện ly xuống độ cao khoảng 60 km. Xung của bức xạ tia X và tia gamma tạo ra cùng mức độ ion hóa với Mặt trời ban ngày. Nó cũng khiến một số vệ tinh nhạy cảm trên bầu khí quyển phải đóng cửa các thiết bị điện tử của chúng.

Các phép đo bằng kính thiên văn trong không gian cho thấy SGR 1806-20 là một loại sao neutron quay nhanh đặc biệt được gọi là nam châm. Các nhà thiên văn Robert Duncan và Christopher Thomson đã đặt cho chúng cái tên này vì từ trường của chúng mạnh hơn bất kỳ loại nguồn thiên văn nào khác — trong trường hợp này là mạnh hơn từ trường của Trái đất khoảng 800 nghìn tỷ lần.

Một nam châm được cho là bao gồm một lõi neutron siêu đặc được bao quanh bởi một lớp vỏ cứng của các nguyên tử sâu khoảng một dặm với bề mặt làm bằng sắt. Trường của nam châm mạnh đến mức nó tạo ra ứng suất rất lớn bên trong, đôi khi có thể làm nứt lớp vỏ cứng, gây ra hiện tượng nổ hình sao. Lớp vỏ rung động tạo ra một vụ nổ bức xạ cực lớn. Một phi hành gia 0,1 năm ánh sáng từ một nam châm đặc biệt này sẽ phải nhận một hành động chết người từ vụ nổ trong vòng chưa đầy một giây.

May mắn thay, chúng tôi đã ở đủ xa sao từ SGR 1806-20 để được an toàn. Một sao từ có thể gây ra mối nguy hiểm thực sự cho Trái Đất? Để tạo ra đủ năng lượng để phá vỡ tầng ôzôn, một nam châm sẽ phải được đặt trong đám mây sao chổi bao quanh hệ mặt trời, và chúng ta biết không có nam châm nào ở gần như vậy. Tuy nhiên, đó là một khám phá thú vị rằng các sự kiện trên xác chết các ngôi sao ở xa có thể có những tác động có thể đo lường được trên Trái Đất.

(Còn tiếp...)

Tham khảo

1. Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy

• MỤC LỤC - Thiên văn học