Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một nhóm nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng mạnh mẽ cho sự hiện diện của vật chất quark kỳ lạ bên trong lõi của các ngôi sao neutron lớn nhất đang tồn tại. Kết luận đã đạt được bằng cách kết hợp các kết quả gần đây từ hạt lý thuyết và vật lý hạt nhân với các phép đo sóng hấp dẫn từ các va chạm sao neutron.
Một nhóm nghiên cứu Phần Lan đã tìm thấy bằng chứng mạnh mẽ cho sự hiện diện của vật chất quark kỳ lạ bên trong lõi của các ngôi sao neutron lớn nhất đang tồn tại. Kết luận đã đạt được bằng cách kết hợp các kết quả gần đây từ hạt lý thuyết và vật lý hạt nhân với các phép đo sóng hấp dẫn từ các va chạm sao neutron.
Tất cả các vật chất bình thường xung quanh chúng ta bao gồm các nguyên tử có hạt nhân dày đặc bao gồm các proton và neutron, được bao quanh bởi các electron tích điện âm. Tuy nhiên, bên trong cái được gọi là sao neutron, vật chất nguyên tử được biết là sụp đổ thành vật chất hạt nhân cực kỳ dày đặc, trong đó neutron và proton được kết hợp chặt chẽ đến mức toàn bộ ngôi sao có thể được coi là một hạt nhân khổng lồ.
Cho đến bây giờ, vẫn chưa rõ liệu bên trong lõi của các hạt nhân neutron lớn nhất có thể sụp đổ thành một trạng thái thậm chí kỳ lạ hơn gọi là vật chất quark, trong đó bản thân hạt nhân không còn tồn tại. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Helsinki hiện tuyên bố rằng câu trả lời cho câu hỏi này là có. Kết quả mới được công bố trên tạp chí Nature Vật lý .
Phó giáo sư Aleksi Vuorinen từ Khoa Vật lý của Đại học Helsinki chia sẻ: “Xác nhận sự tồn tại của lõi quark bên trong sao neutron là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của vật lý sao neutron kể từ khi khả năng này lần đầu tiên được giải trí khoảng 40 năm trước”.
Tồn tại rất có thể
Với các mô phỏng quy mô lớn thậm chí chạy trên các siêu máy tính không thể xác định số phận của 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 ra rằng bằng cách kết hợp các phát hiện gần đây từ hạt lý thuyết và vật lý hạt nhân với các phép đo vật lý thiên văn, có thể suy ra các đặc điểm và bản sắc của vật chất cư trú bên trong các sao neutron.
Ngoài Vuorinen, nhóm còn có sinh viên tiến sĩ Eemeli Annala từ Helsinki cũng như các đồng nghiệp Tyler Gorda từ Đại học Virginia, Aleksi Kurkela từ CERN và Joonas Nättilä từ Đại học Columbia.
Theo nghiên cứu, vật chất nằm trong lõi của các ngôi sao neutron ổn định lớn nhất có sự tương đồng gần với vật chất quark hơn so với vật chất hạt nhân thông thường. Các tính toán chỉ ra rằng trong các ngôi sao này, đường kính của lõi được xác định là vật chất quark có thể vượt quá một nửa so với toàn bộ sao neutron. Tuy nhiên, Vuorinen chỉ ra rằng vẫn còn nhiều điều không chắc chắn liên quan đến cấu trúc chính xác của các sao neutron. Điều đó có nghĩa gì khi tuyên bố rằng vấn đề quark gần như chắc chắn đã được phát hiện?
Vuorinen giải thích: “Vẫn còn một cơ hội nhỏ nhưng khác thường là tất cả các sao neutron chỉ bao gồm vật chất hạt nhân. Tuy nhiên, những gì chúng ta có thể làm là định lượng được kịch bản này sẽ cần gì. Nói tóm lại, hành vi của vật chất hạt nhân dày đặc sẽ cần để thực sự đặc biệt. Chẳng hạn, tốc độ của âm thanh sẽ cần đạt gần như bằng ánh sáng”.
Xác định bán kính từ các quan sát sóng hấp dẫn
Một yếu tố quan trọng góp phần vào những phát hiện mới là sự xuất hiện của hai kết quả gần đây trong vật lý thiên văn quan sát: đo sóng hấp dẫn từ sự hợp nhất sao neutron và phát hiện các sao neutron rất lớn, có khối lượng gần bằng hai khối lượng mặt trời.
Vào mùa thu năm 2017, lần đầu tiên các đài quan sát LIGO và Virgo đã phát hiện ra sóng hấp dẫn được tạo ra bởi hai ngôi sao neutron hợp nhất. Quan sát này đặt giới hạn trên nghiêm ngặt cho một đại lượng gọi là biến dạng thủy triều, đo độ nhạy cảm của cấu trúc của một ngôi sao quay quanh trường hấp dẫn của bạn đồng hành. Kết quả này sau đó đã được sử dụng để đạt được giới hạn trên cho bán kính của các sao neutron va chạm, hóa ra là khoảng 13 km.
Tương tự như vậy, trong khi lần quan sát đầu tiên của một ngôi sao neutron bắt đầu từ năm 1967, các phép đo khối lượng chính xác của những ngôi sao này chỉ có thể thực hiện được trong 20 năm qua. Hầu hết các ngôi sao có khối lượng được biết chính xác rơi vào một cửa sổ có khối lượng từ 1 đến 1,7 sao, nhưng thập kỷ qua đã chứng kiến sự phát hiện của ba ngôi sao hoặc đạt hoặc thậm chí vượt quá giới hạn khối lượng hai mặt trời.
Quan sát thêm dự kiến
Một phần nào đó trái ngược, thông tin về bán kính và khối lượng sao neutron đã làm giảm đáng kể sự không chắc chắn liên quan đến các tính chất nhiệt động của vật chất sao neutron. Điều này cũng đã cho phép hoàn thành phân tích được trình bày bởi nhóm nghiên cứu Phần Lan trong bài viết Vật lý Tự nhiên (Nature Physics) của họ .
Trong phân tích mới, các quan sát vật lý thiên văn được kết hợp với các kết quả lý thuyết tiên tiến từ vật lý hạt nhân và hạt nhân. Điều này cho phép đưa ra một dự đoán chính xác cho cái được gọi là phương trình trạng thái của vật chất sao neutron, trong đó đề cập đến mối quan hệ giữa áp suất và mật độ năng lượng của nó. Một thành phần không thể thiếu trong quá trình này là kết quả nổi tiếng từ thuyết tương đối rộng, liên quan đến phương trình trạng thái với mối quan hệ giữa các giá trị có thể có của bán kính sao neutron và khối lượng.
Kể từ mùa thu năm 2017, một số vụ sáp nhập sao neutron mới đã được quan sát và LIGO và Virgo đã nhanh chóng trở thành một phần không thể thiếu trong nghiên cứu sao neutron. Chính sự tích lũy nhanh chóng của thông tin quan sát mới đóng vai trò chính trong việc cải thiện tính chính xác của những phát hiện mới của nhóm nghiên cứu Phần Lan và xác nhận sự tồn tại của vật chất quark bên trong các sao neutron. Với những quan sát xa hơn dự kiến trong tương lai gần, sự không chắc chắn liên quan đến kết quả mới cũng sẽ tự động giảm.
“Có lý do để tin rằng thời đại hoàng kim của vật lý thiên văn sóng hấp dẫn chỉ mới bắt đầu, và chúng ta sẽ sớm chứng kiến nhiều bước nhảy vọt như thế này trong sự hiểu biết của chúng ta về thiên nhiên”, Vuorinen vui mừng.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Helsinki . Bản gốc được viết bởi Johanna Pellinen. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :