Sao neutron là một trong những vật thể vũ trụ kỳ lạ nhất và những bí ẩn lớn nhất nằm sâu trong trái tim của chúng.
Sao neutron là lõi còn sót lại của các ngôi sao đã phát nổ và là vật chất đặc nhất được biết đến trong vũ trụ. Một ngôi sao neutron điển hình có khối lượng gấp vài lần khối lượng của mặt trời, bị nén lại trong một vùng chỉ rộng vài chục kilomet. Ở các lớp ngoài cùng của sao neutron, mật độ lớn hơn hàng tỷ lần so với mật độ của một viên kim cương. Ở lõi của sao neutron, áp suất nghiền có thể ép các hạt nhân nguyên tử ra xa nhau, và thậm chí có thể là cả proton và neutron.
Lực hấp dẫn bề mặt của sao neutron mạnh đến mức những "ngọn núi" lớn nhất chỉ cao vài milimét. Và những bề mặt đó vốn đã xa lạ, bao gồm lớp vỏ của các hạt nhân nguyên tử nặng bị ép vào một mạng tinh thể với các electron tự do bơi giữa chúng.
Sâu hơn nữa, lực hấp dẫn khổng lồ cho phép các đồng vị kỳ lạ, hiếm tồn tại dồi dào. Thông thường, bạn chỉ có thể nhồi nhét một số lượng neutron nhất định vào một hạt nhân trước khi nó sụp đổ, do tác động đẩy lùi của lực hạt nhân mạnh chống lại sự gắn kết. Nhưng lực hấp dẫn của sao neutron giữ mọi thứ liên kết với nhau. Ở độ sâu khoảng một kilomet, hạt nhân nguyên tử có thể chứa hàng trăm neutron cùng một lúc.
Nhưng ngay cả như vậy cũng có giới hạn. Ở độ sâu hơn nửa dặm (1 km) một chút, ngay cả những hạt nhân có kích thước không tưởng đó cũng bị phân hủy. Đây là "đường nhỏ giọt", nơi các neutron bắt đầu rò rỉ ra khỏi hạt nhân. Thông thường, bất kỳ neutron tự do nào cũng phân rã trong khoảng 15 phút. Nhưng giới hạn dữ dội bên trong sao neutron giữ cho các neutron ổn định và chảy tự do.
Chỉ sau khoảng một dặm (2 kilomet) sâu vào sao neutron, vật chất có lẽ có hình dạng kỳ lạ nhất từ trước đến nay: "mì ống hạt nhân". Ở khu vực này, nơi lớp vỏ chuyển thành lõi, các lực khổng lồ — lực hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và lực đẩy điện — cạnh tranh để giành quyền thống trị. Điều này dẫn đến các hạt nhân kỳ lạ, lồi lõm với hình dạng phóng đại, được gọi là gnocchi.
Bên dưới đó, các cục riêng lẻ ép lại với nhau thành các ống dài (tương đối mà nói; mọi thứ ở đây vẫn còn rất nhỏ), được gọi là spaghetti. Sau đó, mì spaghetti kết hợp lại với nhau để tạo thành lasagne, sau đó hợp nhất thành một khối đồng nhất duy nhất. Nhưng khối đó có những khiếm khuyết và lỗ hổng — "antispaghetti" và "antignocchi".
Nói chung, vùng mì hạt nhân chỉ dày khoảng 330 feet (100 mét), nhưng nó nặng hơn 3.000 Trái đất. Đó là rất nhiều mì ống.
Bên dưới đó, ở độ sâu khoảng một dặm, các hạt nhân chỉ đơn giản là bị phá vỡ, vì chúng không thể duy trì cấu trúc của mình trong môi trường nghiền nát. Ở đây, các neutron, proton và một số electron tự do di chuyển. Và điều thực sự xảy ra trong vùng lõi của một ngôi sao neutron là vấn đề gây nhiều tranh cãi, bởi vì vật lý ở đây vượt xa hiểu biết hiện tại của chúng ta.
Chúng tôi nghi ngờ mạnh mẽ rằng vùng bên ngoài của lõi là siêu lỏng, nơi các neutron có thể di chuyển tự do với độ nhớt bằng không và ma sát bằng không. Các proton còn lại ở độ sâu này hiện cũng là một siêu dẫn, không có điện trở suất. Ở độ sâu này, mật độ tương đương với một hạt nhân nguyên tử, với các proton và neutron bị ép chặt với nhau hết mức có thể. Về mọi mặt và mục đích, vùng này của một ngôi sao neutron là một hạt nhân nguyên tử vĩ mô duy nhất, được liên kết với nhau không phải bởi lực hạt nhân mạnh mà bởi sức mạnh hấp dẫn tuyệt đối.
Các neutron trong vùng này đóng vai trò lớn trong việc hỗ trợ ngôi sao chống lại sự sụp đổ hấp dẫn tiếp theo. Một cách là thông qua "áp suất thoái hóa" — chúng bị ép chặt với nhau đến mức chúng rung lên với vận tốc đáng kinh ngạc, gần bằng tốc độ ánh sáng, tạo ra áp suất. Bên cạnh đó, lực hạt nhân mạnh đẩy nhau giữa các neutron, ngăn chúng ép lại với nhau nhiều hơn nữa.
Tuy nhiên, ở những vùng sâu nhất của lõi, chúng ta không biết gì cả. Mật độ ở lõi trong cùng cao hơn trong hạt nhân nguyên tử. Chúng ta không có hy vọng sao chép hoặc tái tạo những điều kiện đó trong phòng thí nghiệm, vì vậy chúng ta chỉ có các mô hình toán học mơ hồ để hướng dẫn. Trong một số mô hình, các neutron duy trì trạng thái siêu lỏng của chúng.
Các bài viết liên quan:
—'Mì ống' hạt nhân được nấu chín bởi các ngôi sao đã chết có thể hé lộ những bí mật về sự sống sau khi chết của các ngôi sao
—Cách các ngôi sao neutron 'giả vờ bình tĩnh' có thể mở khóa vật lý kỳ lạ
—Các ngôi sao neutron có thể là máy dò vật chất tối tối ưu
Trong các mô hình khác, các dạng vật chất khác nhau — như hyperon, delta và ngưng tụ boson — có thể phát sinh. Điều này có thể xảy ra vì neutron và proton được tạo thành từ các hạt thậm chí còn nhỏ hơn, được gọi là quark. Trong những điều kiện này, các quark có thể sắp xếp và kết hợp với nhau theo những cách khác nhau trong các tình huống sẽ ngay lập tức không ổn định trong bất kỳ môi trường nào khác. Nhưng ở đây, chúng có thể hoàn toàn ổn.
Trong các mô hình khác, tất cả proton và neutron — và thậm chí cả những người anh em họ kỳ lạ hơn của chúng — đều bị phá vỡ hoàn toàn, tạo thành một hỗn hợp gồm quark và gluon, những hạt mang lực hạt nhân mạnh.
Nhưng tất cả những điều này chỉ là suy đoán thuần túy. Ngôi sao neutron gần nhất cách xa hàng trăm năm ánh sáng, và ngay cả khi chúng ta có thể phá vỡ nó, thì những điều kiện đặc biệt tạo ra những điều kiện kỳ lạ như vậy cũng sẽ bị phá vỡ. Vì vậy, hiện tại, cách duy nhất để nhìn vào bên trong các ngôi sao neutron là bằng toán học và một liều lượng lớn phỏng đoán.
Sao neutron là lõi còn sót lại của các ngôi sao đã phát nổ và là vật chất đặc nhất được biết đến trong vũ trụ. Một ngôi sao neutron điển hình có khối lượng gấp vài lần khối lượng của mặt trời, bị nén lại trong một vùng chỉ rộng vài chục kilomet. Ở các lớp ngoài cùng của sao neutron, mật độ lớn hơn hàng tỷ lần so với mật độ của một viên kim cương. Ở lõi của sao neutron, áp suất nghiền có thể ép các hạt nhân nguyên tử ra xa nhau, và thậm chí có thể là cả proton và neutron.
Lực hấp dẫn bề mặt của sao neutron mạnh đến mức những "ngọn núi" lớn nhất chỉ cao vài milimét. Và những bề mặt đó vốn đã xa lạ, bao gồm lớp vỏ của các hạt nhân nguyên tử nặng bị ép vào một mạng tinh thể với các electron tự do bơi giữa chúng.
Sâu hơn nữa, lực hấp dẫn khổng lồ cho phép các đồng vị kỳ lạ, hiếm tồn tại dồi dào. Thông thường, bạn chỉ có thể nhồi nhét một số lượng neutron nhất định vào một hạt nhân trước khi nó sụp đổ, do tác động đẩy lùi của lực hạt nhân mạnh chống lại sự gắn kết. Nhưng lực hấp dẫn của sao neutron giữ mọi thứ liên kết với nhau. Ở độ sâu khoảng một kilomet, hạt nhân nguyên tử có thể chứa hàng trăm neutron cùng một lúc.
Nhưng ngay cả như vậy cũng có giới hạn. Ở độ sâu hơn nửa dặm (1 km) một chút, ngay cả những hạt nhân có kích thước không tưởng đó cũng bị phân hủy. Đây là "đường nhỏ giọt", nơi các neutron bắt đầu rò rỉ ra khỏi hạt nhân. Thông thường, bất kỳ neutron tự do nào cũng phân rã trong khoảng 15 phút. Nhưng giới hạn dữ dội bên trong sao neutron giữ cho các neutron ổn định và chảy tự do.
Chỉ sau khoảng một dặm (2 kilomet) sâu vào sao neutron, vật chất có lẽ có hình dạng kỳ lạ nhất từ trước đến nay: "mì ống hạt nhân". Ở khu vực này, nơi lớp vỏ chuyển thành lõi, các lực khổng lồ — lực hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và lực đẩy điện — cạnh tranh để giành quyền thống trị. Điều này dẫn đến các hạt nhân kỳ lạ, lồi lõm với hình dạng phóng đại, được gọi là gnocchi.
Bên dưới đó, các cục riêng lẻ ép lại với nhau thành các ống dài (tương đối mà nói; mọi thứ ở đây vẫn còn rất nhỏ), được gọi là spaghetti. Sau đó, mì spaghetti kết hợp lại với nhau để tạo thành lasagne, sau đó hợp nhất thành một khối đồng nhất duy nhất. Nhưng khối đó có những khiếm khuyết và lỗ hổng — "antispaghetti" và "antignocchi".
Nói chung, vùng mì hạt nhân chỉ dày khoảng 330 feet (100 mét), nhưng nó nặng hơn 3.000 Trái đất. Đó là rất nhiều mì ống.
Bên dưới đó, ở độ sâu khoảng một dặm, các hạt nhân chỉ đơn giản là bị phá vỡ, vì chúng không thể duy trì cấu trúc của mình trong môi trường nghiền nát. Ở đây, các neutron, proton và một số electron tự do di chuyển. Và điều thực sự xảy ra trong vùng lõi của một ngôi sao neutron là vấn đề gây nhiều tranh cãi, bởi vì vật lý ở đây vượt xa hiểu biết hiện tại của chúng ta.
Chúng tôi nghi ngờ mạnh mẽ rằng vùng bên ngoài của lõi là siêu lỏng, nơi các neutron có thể di chuyển tự do với độ nhớt bằng không và ma sát bằng không. Các proton còn lại ở độ sâu này hiện cũng là một siêu dẫn, không có điện trở suất. Ở độ sâu này, mật độ tương đương với một hạt nhân nguyên tử, với các proton và neutron bị ép chặt với nhau hết mức có thể. Về mọi mặt và mục đích, vùng này của một ngôi sao neutron là một hạt nhân nguyên tử vĩ mô duy nhất, được liên kết với nhau không phải bởi lực hạt nhân mạnh mà bởi sức mạnh hấp dẫn tuyệt đối.
Các neutron trong vùng này đóng vai trò lớn trong việc hỗ trợ ngôi sao chống lại sự sụp đổ hấp dẫn tiếp theo. Một cách là thông qua "áp suất thoái hóa" — chúng bị ép chặt với nhau đến mức chúng rung lên với vận tốc đáng kinh ngạc, gần bằng tốc độ ánh sáng, tạo ra áp suất. Bên cạnh đó, lực hạt nhân mạnh đẩy nhau giữa các neutron, ngăn chúng ép lại với nhau nhiều hơn nữa.
Tuy nhiên, ở những vùng sâu nhất của lõi, chúng ta không biết gì cả. Mật độ ở lõi trong cùng cao hơn trong hạt nhân nguyên tử. Chúng ta không có hy vọng sao chép hoặc tái tạo những điều kiện đó trong phòng thí nghiệm, vì vậy chúng ta chỉ có các mô hình toán học mơ hồ để hướng dẫn. Trong một số mô hình, các neutron duy trì trạng thái siêu lỏng của chúng.
Các bài viết liên quan:
—'Mì ống' hạt nhân được nấu chín bởi các ngôi sao đã chết có thể hé lộ những bí mật về sự sống sau khi chết của các ngôi sao
—Cách các ngôi sao neutron 'giả vờ bình tĩnh' có thể mở khóa vật lý kỳ lạ
—Các ngôi sao neutron có thể là máy dò vật chất tối tối ưu
Trong các mô hình khác, các dạng vật chất khác nhau — như hyperon, delta và ngưng tụ boson — có thể phát sinh. Điều này có thể xảy ra vì neutron và proton được tạo thành từ các hạt thậm chí còn nhỏ hơn, được gọi là quark. Trong những điều kiện này, các quark có thể sắp xếp và kết hợp với nhau theo những cách khác nhau trong các tình huống sẽ ngay lập tức không ổn định trong bất kỳ môi trường nào khác. Nhưng ở đây, chúng có thể hoàn toàn ổn.
Trong các mô hình khác, tất cả proton và neutron — và thậm chí cả những người anh em họ kỳ lạ hơn của chúng — đều bị phá vỡ hoàn toàn, tạo thành một hỗn hợp gồm quark và gluon, những hạt mang lực hạt nhân mạnh.
Nhưng tất cả những điều này chỉ là suy đoán thuần túy. Ngôi sao neutron gần nhất cách xa hàng trăm năm ánh sáng, và ngay cả khi chúng ta có thể phá vỡ nó, thì những điều kiện đặc biệt tạo ra những điều kiện kỳ lạ như vậy cũng sẽ bị phá vỡ. Vì vậy, hiện tại, cách duy nhất để nhìn vào bên trong các ngôi sao neutron là bằng toán học và một liều lượng lớn phỏng đoán.
