Sách » Khoa Học » Lịch sử các phát minh

Pulsar (sao neutron), Pulsar binaire

1) Sự phát hiện Pulsar (sao neutron)

Pulsar  đầu tiên được  khám phá do sự tình cờ vào năm 1967 bởi hai nhà thiên văn người Anh là Anthony Hewish và  Jocelyn Bell. Họ nghiên cứu sự lấp lánh của  các nguồn sóng radio trên trời gây ra bởi sự hỗn độn (turbulence) của khí  ion  hóa giữa các  hành tinh  Tất cả  các  nguồn radio từ những chương thình quan sát chứng tỏ những dao động của cường độ thay đổi bấp bênh gây ra bởi hiện tượng  này, trừ một nguồn  trong  số đó có những  thay đổi hoàn toàn đều đặn  và  như vậy thì bản chất của  vật này phải khác hẳn  mọi thứ khác. Vật này đã là vật khó  hiểu trong  một thời gian. Sau đó những  nhà thiên  văn thỏa thuận rằng  đó là một ngôi sao neutrons (étoile à neutrons) đang  quay nhanh mà họ gọi là pulsar.

Ít lâu sau, người ta  khám phá một pulsar ngay trung tâm của lớp bọc  ngoài  nổi tiếng  của supernova,  đó là tinh vân Crabe (nébuleuse du Crabe)

Hình NASA  (http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap960531.html)

Từ hiện tượng: sự bảo toàn động năng  quay với năng lượng từ của  vật lúc đầu dẫn tới một sao neutron quay rất nhanh với từ trường  rất lớn dạng lưỡng cực mà  trục  Bắc-Nam không  nhất thiết phải thẳng  hàng với trục quay. Người ta  đo vận tốc  quay của  600 pulsar trong  những  năm 1990: thời gian để chúng  quay 1 vòng   ở khoảng  từ 0,0015 đến 4 giây, nói cách khác từ nhanh đến chậm: chúng  quay từ 640 vòng/giây đến một phần tư vòng/giây. Từ trường cỡ 1 tỉ  teslas cho những  pulsar trẻ và 10 ngàn teslas cho những  pulsar già. Từ trường  của chúng  quá  lớn so với từ trường trái đất chỉ 0,00005 teslas. Về điện, một pulsar có thể coi như một máy dynamo tạo bởi sự quay của  từ trường lưỡng cực cho ra những điện trường lớn hơn một ngàn tỉ volt

Khối lượng M thay đổi tùy sao. Gọi m là  khối lượng  mặt trời thì:

 

M <1,44m

1,44

2m

Sao lùn trắng

Sao neutron

Lỗ đen

2) Tại sao pulsar  phát ra  xung lực?

Không  nên nghĩ rằng các  pulsar "sáng" và "tắt" đều đặn. Thực tế, chúng  phát ra một luồng  năng  lựợng không đổi. Năng  lượng  này được  tụ  lại trong chùm hạt điện từ đuợc phóng ra từ những cực từ của sao với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng. Trục của sao neutron tạo mộtt góc so với trục quay, y hệt như cực  Bắc  Nam châm và cực Bắc địa lý.

Vì ngôi sao tự quay xung quanh nó, chùm tia năng lượng quét khoảng  không gian như một đèn pha hay đèn quay  xe cứu thương. Chỉ khi chùm tia  này hướng trực tiếp về  trái đất thì ta  mới có thể  dò ra  nhờ kính viễn vọng vô tuyến (radiotéléscope)

 

Mặc dù pulsar phát ra tín hiệu trong phổ thấy được, nhưng vì  chúng quá  nhỏ và  quá xa để có thể  nhìn bằng  mắt thường. Chỉ những  radiotéléscope mới cho phép dò tìm những bức xạ mạnh có tần số lớn.

3) Ta có thể  hy vọng học hỏi gì khi nghiên cứu pulsar?

Vì  pulsar được tạo bởi  những di tích của supernova sau khi sao này bị  nổ nên  nghiên cứu trên  pulsar sẽ giúp chúng ta  tìm hiểu được những gì xảy ra  khi một ngôi sao chết. Chúng cũng giúp làm sáng tỏ về  sự sinh ra và  chuyển biến của  vũ  trụ. Ngoài ra pulsar cũng có thể thay đổi thái dộ theo thời gian.

 

Trước tiên, chu kỳ  phát xạ  mỗi pulsar  thay đổi. Ðộng  năng quay của sao neutron là nguồn bức xạ điện từ có thể  thăm dò được. Khi pulsar phát xạ, nó mất một ít năng  lượng quay và  nó quay chậm dần.  Ðo chu kỳ quay của chúng  tháng  này qua tháng  khác trên  nhiếu năm, chúng ta có thể suy ra  chính xác tỷ  lệ chậm dần (taux de ralentissement), năng  lượng  mất đi và  ngay cả biết số tuổi còn  lại của chúng cho tới khi chúng không còn sáng  nữa do vận tốc quay quá  yếu.

Ngoài ra mỗi pulsar đều khác  nhau. Có những  pulsar  rất sáng, những  pulsar  khác thì vì động đất nên nên có khi chúng tăng tốc độ quay, cũng có  vài  pulsar có  bạn đồng hành, quay xung quanh nhau (binary pulsar) và có  một chục pulsar tự quay quanh chúng cực  kỳ nhanh, cả ngàn  vòng/giây. Mỗi khám phá  mới là một nguồn tin tức thêm giúp cho các  khoa học gia hiểu vũ trụ.

Sao neutron  do trọng  lực rất mạnh sẽ phát xạ sóng trọng trường và mất năng lượng, và sẽ  rơi vào nhau. Quỹ đạo của  hai sao neutron chung quanh nhau càng  ngày càng  nhỏ đi; vì hai sao neutron mất năng  lượng nên chúng quay càng ngày càng  bớt nhanh. Những  quan sát thiên văn cho chúng ta thấy sự  quay chậm dần của  sao neutron

Binary Pulsar được khám phá  bởi hai nhà thiên  văn Joseph  Taylor và Russell Hulse vào năm 1974. Binary Pulsar rất quan trọng vì đó là một phòng thí nghiệm có đến hai sao neutron. Lý thuyết Einstein nói rằng  hai sao neutron  do trọng  lực rất mạnh sẽ phát xạ sóng trọng trường và mất năng lượng, và sẽ  rơi vào nhau.  Khả năng này được gợi ra để giải thích nguồn gốc của những sự giật nẩy tia gamma và  nhất là để dò các sóng trọng trường (Virgo, Ligo). Nhất là từ khi khám phá ra cặp pulsar PSR J0737-3039 năm 2003 nhờ radiotéléscope Parkes, đã ước tính  tần số của sự hợp nhất của cặp sao neutron. Người ta  ước tính có một hay hai loại hiện tượng này xảy ra  trong thiên  hà của chúng ta trong  một năm, nghĩa là  mười lần thường xuyên hơn như người ta đã nghĩ trước đây.

 Quỹ đạo của  hai sao neutron chung quanh nhau càng  ngày càng  nhỏ đi; vì hai sao neutron mất năng  lượng nên chúng quay càng ngày càng  bớt nhanh. Những  quan sát thiên văn cho chúng ta thấy sự  quay chậm dần của  sao neutron đúng y như thuyết Tương đối tổng quát của Einstein đã tiên đoán.

Võ Thị Diệu Hằng