Tại sao một thìa vật chất trong một ngôi sao neutron lại có thể nặng tới 100 triệu tấn?

Sao neutron là một trong những điểm kết thúc có thể có trong quá trình tiến hóa của một số ngôi sao khối lượng lớn. Ban đầu sao neutron chỉ tồn tại trên lý thuyết, nhưng vào năm 1967, các nhà khoa học đã phát hiện ra sao xung đầu tiên và chứng minh sự tồn tại của sao neutron.

Sao neutron được hình thành trong các vụ nổ siêu tân tinh và thường có tính đối xứng. Vì vậy, rất nhiều ngôi sao neutron không bao giờ rời khỏi khu vực vụ nổ nơi chúng hình thành. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, tính bất đối xứng trong vụ nổ lại tạo ra một lực đẩy lên các ngôi sao neutron và đưa chúng di chuyển ra khỏi khu vực tàn dư của vụ nổ.

Khám phá này là một trong bốn khám phá quan trọng nhất trong thiên văn học trong những năm 1960. Vì sao xung phát ra tín hiệu vô tuyến rất đều đặn, nên mọi người đã từng nghĩ rằng đó là tín hiệu từ một nền văn minh ngoài hành tinh, nhưng cuối cùng thì khoa học đã chứng minh được ra rằng nó thực sự là một ngôi sao neutron quay với tốc độ cao.

Lý do tại sao mật độ sao neutron lại rất lớn là do nó được hình thành do sự sụp đổ của một phần lõi của ngôi sao dưới tác dụng của lực hấp dẫn, và một lượng lớn khối lượng vật chất được tập trung vào một phạm vi không gian cực kỳ nhỏ, do đó khối lượng của sao neutron là cực kỳ lớn trong khi bán kính của nó rất nhỏ, thường vào khoảng 10 đến 20km.

Khối lượng của Trái Đất là khoảng 60 nghìn tỷ tấn và bán kính là 6.378km, nếu Trái Đất đi đến cuối vòng đời của mình và bị nén thành một ngôi sao neutron, thì bán kính của nó sẽ chỉ là 22 mét.

Sao xung là sao neutron quay nhanh và phát ra bức xạ cường độ cao, trong khi sao từ lại là tàn tích của sao có từ trường cực mạnh. Tất cả các loại sao neutron đều hình thành khi các ngôi sao có khối lượng lớn kết thúc vòng đời và hết nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân, theo đó ngôi sao ban đầu không còn có thể tự chống lại sự sụp đổ của lực hấp dẫn.

Tại sao một vật thể lớn như vậy lại có thể nén lại xuống kích thước nhỏ hơn ban đầu rất nhiều? Để hiểu được nó, chúng ta phải bắt đầu từ cấu trúc vi mô của vật chất.

Vật chất thông thường trong vũ trụ được tạo ra từ các nguyên tử, nhưng nguyên tử không phải là một quả cầu rắn. Bên trong nguyên tử cũng chứa những khoảng không vô định giống như Hệ Mặt Trời của chúng ta. Mặt Trời chiếm 99% tổng lượng vật chất trong toàn bộ Hệ Mặt Trời, và hạt nhân của nguyên tử cũng chiếm toàn tới 99% khối lượng nguyên tử, trong đó các electron thường chuyển động tự do trong không gian cực rộng này, tạo thành một lớp vỏ cứng gọi là đám mây electron.

Nếu tác dụng đủ áp lực, lớp vỏ này sẽ vỡ ra và các electron sẽ bị ép lại gần hạt nhân hoặc thậm chí rơi vào trong nó. Lúc này, cấu trúc của nguyên tử sẽ bị phá hủy do đó một lượng lớn vật chất có thể bị nén lại thành một thể tích rất nhỏ.

Sao từ là một dạng sao neutron với từ trường mạnh đến 10 mũ 11 tesla, lớn hơn từ trường của Trái Đất khoảng 2.500.000 tỉ lần. Để so sánh, từ trường quanh các nam châm siêu dẫn lưỡng cực của máy gia tốc hạt lớn LHC chỉ trong khoảng từ 0.54 lên 8.3 tesla. Sự tồn tại của sao từ lần đầu được đưa ra bởi hai nhà thiên văn học Robert Duncan người Mỹ và Chrisopher Thompson người Canada vào những năm 1980.

Về lý thuyết, mật độ của sao neutron chỉ đứng sau lỗ đen, bởi vì các nhà khoa học tin rằng thể tích của điểm kỳ dị được bao bọc trong đường chân trời của lỗ đen là 0, có nghĩa là mật độ của điểm kỳ dị lỗ đen là vô hạn. Tuy nhiên, con người biết rất ít về các lỗ đen, những gì bên trong một lỗ đen vẫn chưa được khoa học biết và nó có khả năng vượt quá kiến thức hiện có của chúng ta. Do đó, các lý thuyết hiện có về bên trong một lỗ đen đều là những giả thuyết và có thể là không chính xác.

Ngoài mật độ cao của chúng, các sao neutron cũng được chia ra thành hai loại đặc biệt, một loại được gọi là sao xung và loại còn lại được gọi là sao nam châm hay sao từ.

Từ trường của một nam châm mạnh hơn hàng nghìn lần so với từ trường của một ngôi sao neutron thông thường và mạnh hơn hàng trăm tỷ lần so với từ trường của Trái Đất. Sao xung (Pulsar) là một trong những hành tinh quay nhanh nhất trong vũ trụ. Tốc độ quay ở xích đạo của chúng thường lên tới hàng chục nghìn km mỗi giây và vận tốc thoát ra trên bề mặt cũng lớn tới hàng chục nghìn thậm chí hàng trăm nghìn km mỗi giây.

Trong một số tác phẩm khoa học viễn tưởng, chúng thậm chí còn được các nền văn minh tiên tiến ngoài hành tinh sử dụng trực tiếp làm vũ khí. Nếu hai ngôi sao neutron va chạm với nhau, nó cũng sẽ kích hoạt một vụ nổ tia gamma cực mạnh, giải phóng năng lượng trong một khoảng thời gian ngắn tương đương với tổng năng lượng do Mặt Trời giải phóng trong suốt vòng đời của mình.

Tham khảo: AFP, Reuters, ZME