Các nhà khoa học đã khám phá ra một cách mới để thăm dò bên trong các sao neutron bằng cách sử dụng sóng hấp dẫn để biến chúng thành "âm thoa vũ trụ". Sự phản xạ của những gợn sóng như vậy trong không thời gian có thể tiết lộ bên trong của những tàn tích sao cực đoan này.
Sinh ra khi các ngôi sao khổng lồ chết đi, các sao neutron có khối lượng gấp hai lần khối lượng mặt trời được nhồi nhét vào đường kính khoảng 12 dặm (20 km). Điều này có nghĩa là chúng được tạo thành từ vật chất đặc nhất trong vũ trụ đã biết. Nhưng do những đặc điểm cực đoan của chúng, bên trong của những tàn tích sao này vẫn còn là một bí ẩn.
Luciano Rezzolla và nhóm nghiên cứu của họ tại Đại học Goethe Frankfurt đưa ra giả thuyết rằng chìa khóa để tiết lộ bên trong của các sao neutron có thể nằm ở các vụ va chạm giữa những tàn tích sao cực đoan này. Chính xác hơn, nhóm nghiên cứu cho rằng chìa khóa là tập trung vào cách tàn dư con của vụ va chạm dữ dội này tạo ra sóng hấp dẫn trong không thời gian.
"Giống như âm thoa của các vật liệu khác nhau sẽ có âm thanh tinh khiết khác nhau, tàn dư được mô tả bởi các phương trình trạng thái khác nhau sẽ đổ chuông ở các tần số khác nhau," Rezzolla nói trong một tuyên bố. "Việc phát hiện ra tín hiệu này do đó có khả năng tiết lộ những gì tạo nên các ngôi sao neutron."
Thuyết tương đối rộng cho rằng lực hấp dẫn phát sinh do khối lượng làm cong chính cấu trúc của không thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian). Ngoài ra, khi các vật thể có khối lượng tăng tốc, chúng tạo ra các gợn sóng trong không thời gian.
Khi hai ngôi sao neutron tồn tại trong một hệ sao đôi, khi chúng quay quanh nhau, chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn.
Bức xạ hấp dẫn này mang theo mômen động lượng ra khỏi hệ sao đôi, khiến các ngôi sao neutron hút nhau lại. Điều này làm tăng tần số của sóng hấp dẫn phát ra, nghĩa là hệ thống mất mômen động lượng nhanh hơn và co lại nhanh hơn.
Điều này tiếp tục cho đến khi lực hấp dẫn chung của các sao neutron chiếm ưu thế và các tàn tích của ngôi sao va chạm với nhau, gây ra một vụ nổ thảm khốc gọi là kilonova. Quá trình này cũng phát ra tiếng thét của sóng hấp dẫn.
Quá trình này tạo ra một tàn dư sau khi hợp nhất, quay nhanh và lớn, cũng phát ra sóng hấp dẫn trong khi quay, mặc dù trong dải tần số mạnh nhưng hẹp.
Rezzolla và các đồng nghiệp đề xuất rằng các sóng hấp dẫn này đã mã hóa bên trong chúng thông tin về phần bên trong của tàn dư sau khi hợp nhất. Chính xác hơn, "phương trình trạng thái" của vật chất hạt nhân bên trong mô tả cách vật chất hoạt động ở mật độ và áp suất cực đại.
Sử dụng mô phỏng máy tính của thuyết tương đối rộng, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng biên độ của tín hiệu sóng hấp dẫn sau khi hợp nhất giảm dần theo thời gian. Khi điều này xảy ra, tín hiệu ngày càng trở nên "tinh khiết". Điều này có nghĩa là nó bắt đầu hội tụ ở một tần số duy nhất, giống như một chiếc âm thoa khổng lồ bắt đầu cộng hưởng sau khi bị đánh.
Nhóm nghiên cứu đã gọi giai đoạn tiến hóa này của tín hiệu là "chu kỳ đổ chuông dài". Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng có một mối liên hệ chặt chẽ giữa các đặc điểm của vòng rung dài và các đặc tính của các vùng dày đặc nhất trong lõi sao neutron.
Do đó, việc phân tích tín hiệu vòng rung dài làm giảm sự không chắc chắn trong phương trình trạng thái vật chất ở mật độ cực cao được tìm thấy trong các sao neutron.
Các câu chuyện liên quan:
— Một cách tiếp cận mới có thể giúp các nhà khoa học nhìn thấy bên trong một sao neutron
— Các sao neutron có kích thước bằng một thành phố thực sự có thể lớn hơn chúng ta nghĩ
— Ngôi sao neutron nặng nhất từng được quan sát đang xé nát bạn đồng hành của nó
"Nhờ những tiến bộ trong mô hình thống kê và mô phỏng độ chính xác cao trên các siêu máy tính mạnh nhất của Đức, chúng tôi đã phát hiện ra một giai đoạn mới của quá trình đổ chuông dài trong các vụ sáp nhập sao neutron", trưởng nhóm Christian Ecker, một nhà nghiên cứu của Đại học Goethe, cho biết trong tuyên bố. "Nó có tiềm năng cung cấp các ràng buộc mới và nghiêm ngặt về trạng thái vật chất trong các sao neutron".
Các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser) và Virgo đã lắng nghe những gợn sóng này trong không thời gian kể từ năm 2015. Tuy nhiên, một tín hiệu đổ chuông dài như tín hiệu được thảo luận trong nghiên cứu này vẫn chưa được "nghe thấy". Hy vọng là thế hệ máy dò sóng hấp dẫn tiếp theo, bao gồm cả đài quan sát không gian LISA (Ăng-ten không gian giao thoa kế laser) sẽ có khả năng thực hiện được phát hiện như vậy.
"Phát hiện này mở đường cho việc hiểu rõ hơn về vật chất sao neutron dày đặc, đặc biệt là khi các sự kiện mới được quan sát trong tương lai", Ecker cho biết.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 3 tháng 2 trên tạp chí Nature Communications.
Sinh ra khi các ngôi sao khổng lồ chết đi, các sao neutron có khối lượng gấp hai lần khối lượng mặt trời được nhồi nhét vào đường kính khoảng 12 dặm (20 km). Điều này có nghĩa là chúng được tạo thành từ vật chất đặc nhất trong vũ trụ đã biết. Nhưng do những đặc điểm cực đoan của chúng, bên trong của những tàn tích sao này vẫn còn là một bí ẩn.
Luciano Rezzolla và nhóm nghiên cứu của họ tại Đại học Goethe Frankfurt đưa ra giả thuyết rằng chìa khóa để tiết lộ bên trong của các sao neutron có thể nằm ở các vụ va chạm giữa những tàn tích sao cực đoan này. Chính xác hơn, nhóm nghiên cứu cho rằng chìa khóa là tập trung vào cách tàn dư con của vụ va chạm dữ dội này tạo ra sóng hấp dẫn trong không thời gian.
"Giống như âm thoa của các vật liệu khác nhau sẽ có âm thanh tinh khiết khác nhau, tàn dư được mô tả bởi các phương trình trạng thái khác nhau sẽ đổ chuông ở các tần số khác nhau," Rezzolla nói trong một tuyên bố. "Việc phát hiện ra tín hiệu này do đó có khả năng tiết lộ những gì tạo nên các ngôi sao neutron."
Không thời gian rung chuông
Sóng hấp dẫn lần đầu tiên được Albert Einstein đề xuất trong lý thuyết về lực hấp dẫn năm 1915 này, được gọi là thuyết tương đối rộng.Thuyết tương đối rộng cho rằng lực hấp dẫn phát sinh do khối lượng làm cong chính cấu trúc của không thời gian (sự thống nhất bốn chiều của không gian và thời gian). Ngoài ra, khi các vật thể có khối lượng tăng tốc, chúng tạo ra các gợn sóng trong không thời gian.
Khi hai ngôi sao neutron tồn tại trong một hệ sao đôi, khi chúng quay quanh nhau, chúng sẽ phát ra sóng hấp dẫn.
Bức xạ hấp dẫn này mang theo mômen động lượng ra khỏi hệ sao đôi, khiến các ngôi sao neutron hút nhau lại. Điều này làm tăng tần số của sóng hấp dẫn phát ra, nghĩa là hệ thống mất mômen động lượng nhanh hơn và co lại nhanh hơn.
Điều này tiếp tục cho đến khi lực hấp dẫn chung của các sao neutron chiếm ưu thế và các tàn tích của ngôi sao va chạm với nhau, gây ra một vụ nổ thảm khốc gọi là kilonova. Quá trình này cũng phát ra tiếng thét của sóng hấp dẫn.
Quá trình này tạo ra một tàn dư sau khi hợp nhất, quay nhanh và lớn, cũng phát ra sóng hấp dẫn trong khi quay, mặc dù trong dải tần số mạnh nhưng hẹp.
Rezzolla và các đồng nghiệp đề xuất rằng các sóng hấp dẫn này đã mã hóa bên trong chúng thông tin về phần bên trong của tàn dư sau khi hợp nhất. Chính xác hơn, "phương trình trạng thái" của vật chất hạt nhân bên trong mô tả cách vật chất hoạt động ở mật độ và áp suất cực đại.
Sử dụng mô phỏng máy tính của thuyết tương đối rộng, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng biên độ của tín hiệu sóng hấp dẫn sau khi hợp nhất giảm dần theo thời gian. Khi điều này xảy ra, tín hiệu ngày càng trở nên "tinh khiết". Điều này có nghĩa là nó bắt đầu hội tụ ở một tần số duy nhất, giống như một chiếc âm thoa khổng lồ bắt đầu cộng hưởng sau khi bị đánh.
Nhóm nghiên cứu đã gọi giai đoạn tiến hóa này của tín hiệu là "chu kỳ đổ chuông dài". Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng có một mối liên hệ chặt chẽ giữa các đặc điểm của vòng rung dài và các đặc tính của các vùng dày đặc nhất trong lõi sao neutron.
Do đó, việc phân tích tín hiệu vòng rung dài làm giảm sự không chắc chắn trong phương trình trạng thái vật chất ở mật độ cực cao được tìm thấy trong các sao neutron.
Các câu chuyện liên quan:
— Một cách tiếp cận mới có thể giúp các nhà khoa học nhìn thấy bên trong một sao neutron
— Các sao neutron có kích thước bằng một thành phố thực sự có thể lớn hơn chúng ta nghĩ
— Ngôi sao neutron nặng nhất từng được quan sát đang xé nát bạn đồng hành của nó
"Nhờ những tiến bộ trong mô hình thống kê và mô phỏng độ chính xác cao trên các siêu máy tính mạnh nhất của Đức, chúng tôi đã phát hiện ra một giai đoạn mới của quá trình đổ chuông dài trong các vụ sáp nhập sao neutron", trưởng nhóm Christian Ecker, một nhà nghiên cứu của Đại học Goethe, cho biết trong tuyên bố. "Nó có tiềm năng cung cấp các ràng buộc mới và nghiêm ngặt về trạng thái vật chất trong các sao neutron".
Các máy dò sóng hấp dẫn như LIGO (Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser) và Virgo đã lắng nghe những gợn sóng này trong không thời gian kể từ năm 2015. Tuy nhiên, một tín hiệu đổ chuông dài như tín hiệu được thảo luận trong nghiên cứu này vẫn chưa được "nghe thấy". Hy vọng là thế hệ máy dò sóng hấp dẫn tiếp theo, bao gồm cả đài quan sát không gian LISA (Ăng-ten không gian giao thoa kế laser) sẽ có khả năng thực hiện được phát hiện như vậy.
"Phát hiện này mở đường cho việc hiểu rõ hơn về vật chất sao neutron dày đặc, đặc biệt là khi các sự kiện mới được quan sát trong tương lai", Ecker cho biết.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 3 tháng 2 trên tạp chí Nature Communications.
