Số phận của sao neutron

5

Sáng hơn trăm tỷ mặt trời

Ngay từ thời cổ đại, các nhà thiên văn học đã nhận thấy rằng thỉnh thoảng những ngôi sao siêu sáng mới lại bùng lên. Ví dụ, một đợt bùng phát như vậy đã được các nhà thiên văn học Trung Quốc ghi nhận vào năm 1054 ở Tinh vân Con Cua, một phần của Thiên hà của chúng ta. Hiện nay “các vụ nổ siêu tân tinh” đã được nghiên cứu và phát hiện kỹ lưỡng không chỉ trong Thiên hà của chúng ta mà còn ở các cụm sao khác. Trong vài tháng, một siêu tân tinh phát ra lượng ánh sáng tương đương với toàn bộ thiên hà chứa hàng chục hoặc hàng trăm tỷ mặt trời. Dựa trên cường độ và thời gian bức xạ, có thể xác định rằng tổng năng lượng giải phóng trong vụ nổ siêu tân tinh là $10^{43} \div 10^{45}$ J. Trong khi đó, nhiệt năng của ngôi sao ít hơn cả nghìn lần. Năng lượng có thể được giải phóng trong quá trình biến đổi hóa học cũng ít hơn đáng kể. Năng lượng siêu tân tinh khổng lồ đến từ đâu? Câu hỏi này vẫn không có đáp số trong một thời gian dài. Hy vọng tuyên bố siêu tân tinh chỉ nảy sinh sau khi phát hiện ra các phản ứng hạt nhân giải phóng năng lượng lớn hơn hàng triệu lần so với các biến đổi hóa học.

Vì vậy, nguồn năng lượng siêu tân tinh có thể là các phản ứng hạt nhân xảy ra bên trong ngôi sao. Tuy nhiên, có một nguồn thậm chí còn mạnh hơn - năng lượng hấp dẫn của ngôi sao. Tuy nhiên, năng lượng này chỉ có thể được giải phóng thông qua quá trình biến đổi hạt nhân. Nếu trong các phản ứng hạt nhân, mật độ của phần trung tâm của ngôi sao tăng lên, thì dưới tác dụng của lực hấp dẫn, vật chất ở vùng lân cận bắt đầu rơi về phía tâm, thu năng lượng. Nói cách khác, thế năng của trọng lực được chuyển hóa thành năng lượng của vật chất sao.

Mật độ của một ngôi sao được xác định bởi sự cân bằng giữa lực hấp dẫn và lực áp suất của vật chất của ngôi sao. Để một ngôi sao co lại, áp suất phải giảm. Áp suất giảm rất mạnh có thể xảy ra trong quá trình hình thành vật chất neutron, khi proton và electron biến thành neutron. Hãy thử tìm hiểu điều này.

Áp suất tỉ lệ thuận với động năng của các phân tử tạo nên vật chất. Khi nhiệt độ giảm, động năng của các hạt giảm và do đó áp suất giảm. Tuy nhiên, ngay cả ở nhiệt độ không tuyệt đối, động năng của các hạt không bằng không. Thực tế là neutron, proton và electron có một tính chất thay thế - hai hạt giống hệt nhau không thể ở cùng một trạng thái (“loại trừ Pauli”). Vì lý do này, ngay cả ở nhiệt độ không tuyệt đối, các hạt không đứng yên và có vận tốc khác nhau - như người ta nói, chúng bị phân tán theo vận tốc. Trong trường hợp này, các hạt ánh sáng có động năng lớn nhất. Do đó, tác nhân chính tạo nên áp suất trong một ngôi sao đến từ các electron, có khối lượng nhỏ hơn khoảng hai nghìn lần so với khối lượng của proton hoặc neutron. Không có gì ngạc nhiên khi lực hấp dẫn đẩy vật chất neutron xuống có mật độ cao hơn vật chất xung quanh gồm hạt nhân nguyên tử và electron - xét cho cùng, trong trường hợp này, các hạt nhẹ được thay thế bằng các hạt nặng và áp suất giảm mạnh.

Posmot, nếu do sự biến đổi hạt nhân mà một ngôi sao có thể biến thành sao neutron, điều này sẽ dẫn đến sự co lại mạnh của ngôi sao và trong thời gian ngắn năng lượng khổng lồ sẽ được giải phóng, đủ để hiểu được siêu nhiên. Với sự cuộn ra bên ngoài của ngôi sao như vậy, các sóng đàn hồi mạnh mẽ sẽ xuất hiện, xuất phát từ tâm. Dưới ảnh hưởng của chúng, phần bên ngoài của ngôi sao được kích hoạt và biến thành khí nóng, nở ra với tốc độ cực lớn. Sự phát sáng của loại khí này có thể giải thích cho những vụ nổ siêu tân tinh kéo dài.

Vì vậy, các vụ nổ siêu tân tinh không còn giống như một hiện tượng bí ẩn - nảy sinh hy vọng giải thích chúng là hậu quả của sự sụp đổ của một ngôi sao trong quá trình biến đổi hạt nhân.

8

các ngôi sao Hóa ra là trong một số trường hợp, chu kỳ của ẩn tinh được đưa vào giảm đi. Hiện tượng này được gọi là “trục trặc”. Sự giảm chu kỳ tự nhiên được giải thích là do một trận động đất. Nếu trong một trận động đất, ngôi sao trở nên kém rắn chắc hơn thì mô men quán tính của nó sẽ giảm; Điều này cũng sẽ làm giảm thời gian quay.

Từ định nghĩa về mômen quán tính (chúng tôi đã đưa ra ở trang 6), suy ra rằng nếu trong một trận động đất sao, ngôi sao trở nên kém rắn chắc hơn thì mômen quán tính của nó sẽ giảm. Vì các giá trị của $I/\omega$ không đổi (xét cho cùng, một trận động đất xảy ra do các “cú sốc” bên trong mà không có sự tham gia của ngoại lực), mômen quán tính giảm dẫn đến tốc độ góc quay của ngôi sao tăng lên. Điều này có nghĩa là thời gian quay giảm.

Tuy nhiên, sau khi bắt đầu gián đoạn, khi trận động đất đã kết thúc, chu kỳ tiếp tục giảm trong một thời gian dài. Trong một trường hợp, thời gian này là vài ngày, trong trường hợp khác - vài năm. Sự thay đổi liên tục trong chu kỳ chỉ có thể được giải thích bằng cách giả sử rằng sau khi phá vỡ một phần của ngôi sao, trạng thái của vật chất thông thường, nó đã tăng tốc chuyển động, lõi neutron tiếp tục quay với tốc độ như cũ và chỉ trong một khoảng thời gian dài các tốc độ mới được cân bằng. Nhưng điều này có nghĩa là lõi neutron đang ở trạng thái siêu lỏng! Rốt cuộc, với ma sát bình thường, tốc độ sẽ cân bằng trong vài giây.

Liệu sự hình thành sao neutron có liên quan đến vụ nổ siêu tân tinh như Baade và Zwick đề xuất không?

Một số ẩn tinh nằm ở nơi các siêu tân tinh đã phát nổ, chẳng hạn như ẩn tinh trong Tinh vân Con Cua. Nhưng trong hầu hết các trường hợp không có kết nối như vậy.

Điều này có nghĩa là đôi khi các sao neutron được sinh ra mà không tạo ra siêu tân tinh; Ngược lại, một số ngọn lửa phát sinh từ các phản ứng hạt nhân không dẫn đến sự hình thành sao neutron với màu xanh lá cây phóng xạ, hoặc có thể xuất hiện sau vụ nổ của sao neutron. Nhưng lò nướng sẽ hiểu điều này hơn nữa.

Bây giờ chúng ta có thể tiến tới chủ đề chính của câu chuyện - số phận của một ngôi sao neutron, khối lượng của nó đang tăng lên. Khối lượng của một ngôi sao có thể tăng lên do sự rơi của các thiên thể lên nó và do dòng vật chất từ ​​các ngôi sao lân cận có khối lượng thấp hơn. Sự gia tăng khối lượng dẫn đến sự gia tăng mật độ ở trung tâm của ngôi sao.

Như chúng ta thấy, ở mật độ đủ cao, chất lỏng neutron chuyển sang trạng thái siêu đậm đặc mới. Trong trường hợp này, năng lượng khổng lồ được giải phóng và ngôi sao phát nổ. Nguyên nhân của sự chuyển đổi này là do tính không ổn định của chân không trong các trường mạnh. Những từ vẫn còn khó hiểu này có ý nghĩa rất đơn giản.

Độ ổn định chân không và ngưng tụ bọt

Chân không là gì? Đây chẳng phải chỉ là sự trống rỗng - không gian trong đó neutron, proton, electron, lượng tử chuyển động sao?

Hóa ra đây không phải là trường hợp. Chân không, tức là không gian vật lý của chúng ta, không chỉ là một vật thể hình học mà còn là một hệ vật lý phức tạp với những đặc tính thú vị.

Trước hết, các hạt, do sự hiện diện của chúng, làm thay đổi không gian xung quanh chúng. Một điện trường xuất hiện xung quanh hạt tích điện, chúng ta phải nhớ hạt này là một loại trạng thái chân không. Trong chân không biến đổi như vậy, xuất hiện một lực tác dụng lên các hạt tích điện khác.

Ngay cả các tính chất hình học cũng thay đổi xung quanh vật nặng. Do đó, trong vùng lân cận Mặt trời, hình dạng của chân không, mặc dù hơi khác một chút, so với hình dạng ενclidian. Tỉ số giữa chu vi và bán kính không bằng 2π như nhà trường tính toán.

Điện trường xoay chiều được tạo ra trong chân không của máy phát vô tuyến gây ra từ trường xoay chiều, từ đó dẫn đến sự xuất hiện của điện trường xoay chiều trong một vùng không gian rộng hơn. Đây là cơ chế truyền sóng điện từ trong chân không

10

từ tác phẩm của tác giả bài viết này và tiếp tục cho đến ngày nay ở nhiều trung tâm khoa học.

Sự ngưng tụ thuần túy có liên quan như thế nào đến số phận của các sao neutron mà chúng ta quan tâm?

Ngưng tụ pion trong chất lỏng neutron

Khi mật độ ở trung tâm của một ngôi sao neutron đạt đến giá trị tới hạn $Q_k$, tương ứng với sự ngưng tụ pion, một bước ngoặt kịch tính trong số phận của ngôi sao phải xảy ra. Đầu tiên, một phôi thai ở trạng thái siêu đậm đặc mới của vật chất neutron xuất hiện ở trung tâm ngôi sao. Trạng thái này hóa ra không ổn định – khi bán kính của phôi tăng lên, năng lượng hấp dẫn được giải phóng. Ở trạng thái cân bằng, một phần đáng kể của ngôi sao sẽ trở nên siêu đặc. Do đó, phôi siêu đặc bắt đầu phát triển - chất của các phần bên ngoài của ngôi sao lao tới ranh giới của phôi với tốc độ cao. Vào thời điểm bán kính của lõi siêu đặc đạt giá trị tương ứng với trạng thái cân bằng, chất của các vùng bị xáo trộn tiếp tục chuyển động theo quán tính và bán kính của lõi trượt qua giá trị cân bằng của nó. Vì sự cân bằng bị xáo trộn nên chuyển động ngược lại bắt đầu. Do đó, bán kính của phôi siêu đặc lúc đầu tăng mạnh và sau đó dao động xung quanh một giá trị tương đương với bán kính của một sao neutron. Quá trình hình thành một ngôi sao siêu đặc diễn ra hàng nghìn phần giây. Trong trường hợp này, năng lượng của quá trình chuyển đổi lớn hơn nhiều lần so với năng lượng được giải phóng trong quá trình chuyển động của sao neutron. Có thể dự đoán rằng dưới tác động của sóng đàn hồi được tạo ra bởi sự dao động bán kính của lõi siêu đặc, phần bị phá vỡ của ngôi sao bị đẩy ra ở trạng thái rất nóng và mô hình vụ nổ giống như một vụ nổ siêu tân tinh.

Do đó, ngoài các ngọn lửa gây ra bởi các phản ứng hạt nhân và sự hình thành trước đó của sao neutron, sự xuất hiện của một ngôi sao không phải neutron, còn có các ngọn lửa có bản chất khác, do sự ngưng tụ pion và vụ nổ sau đó của sao neutron.

Hậu quả của vụ nổ sao neutron là gì?

Lỗ đen

Nếu kết luận về vụ nổ sao neutron gây ra bởi sự ngưng tụ pion được chứng minh một cách thuyết phục về mặt lý thuyết hoặc được xác nhận bằng các quan sát, thì điều này có nghĩa là sao neutron không thể có mật độ vượt quá giá trị tới hạn $Q_k$ (theo tính toán, $Q_k$ có cùng bậc với mật độ hạt nhân). Trong khi đó, điều quan trọng cơ bản là liệu các ngôi sao có tồn tại với mật độ vượt quá đáng kể mật độ hạt nhân hay không.

Theo lý thuyết tương đối tổng quát, khi khối lượng của một ngôi sao vượt quá 2-3 khối lượng Mặt trời, sự mất ổn định hạt granit sẽ xuất hiện - ngôi sao bắt đầu lướt qua và sau khi bán kính trở nên nhỏ hơn một giá trị tới hạn nhất định (bán kính ma sát), sẽ không có lực đẩy nào có thể giữ cho vật chất không rơi vào tâm - áp suất trượt của lực hấp dẫn vượt quá áp suất kéo của hạt vật chất. Hiện tượng này được gọi là sự sụp đổ của sao. Nó kết thúc bằng việc hình thành một vật thể mới - lỗ đen. Một lỗ đen trên thực tế chỉ biểu hiện dưới dạng một nguồn của trường ranh giới. Một vật rơi vào phạm vi của lỗ đen sẽ rơi về phía tâm lỗ đen và không còn nhìn thấy được nữa. Cho dù một hạt có năng lượng bao nhiêu đi chăng nữa thì nó cũng không thể bị kéo ra khỏi lỗ đen - xét cho cùng, với sự gia tăng năng lượng của hạt, theo Einstein, khối lượng của nó cũng tăng lên, và do đó

11

do đó, và lực hút đối với lỗ đen. Bạn không những không thể đưa tàu vũ trụ ra khỏi lỗ đen mà thậm chí còn không thể gửi tín hiệu ánh sáng. Ở sao đôi, vật chất từ ​​sao nhẹ chuyển sang sao nặng hơn. Phân tích bức xạ của vật chất đang chảy trong một số trường hợp có thể xác định được đối tác nặng là một lỗ đen.

Nhưng nếu hóa ra các sao neutron, do hậu quả của một vụ nổ do sự ngưng tụ pion, làm phân tán vật chất đã ở mật độ hạt nhân, thì các lỗ đen không thể được hình thành.

Một hiện tượng khác thu hút sự quan tâm đến vật chất siêu đặc là ở mật độ đủ cao, vật chất neutron có thể chuyển sang trạng thái mới - vật chất quark.

Một sự chuyển đổi khác

Trong những năm gần đây, các nhà vật lý đã đi đến kết luận rằng tất cả các nguyên tố hạt tương tác mạnh - những hạt như vậy được gọi là arodn - đều bao gồm một số loại quark - những hạt có điện tích phân số bằng -1/3 hoặc +2/3 điện tích của một electron. Neutron và proton (và chúng là arodic) bao gồm ba quark, và meson pi bao gồm một quark và một phản quark. Rõ ràng quark không tồn tại dưới dạng hạt tự do. Cho đến nay, mọi nỗ lực phát hiện một quark riêng lẻ đều cho kết quả tiêu cực. Nhưng ở những khoảng cách nhỏ giữa chúng, các tính chất của chúng đã được nghiên cứu kỹ lưỡng đến mức ngày nay hầu hết các nhà vật lý đều không còn nghi ngờ gì về sự hiện thực hóa của những hạt này. Từ việc phân tích các thí nghiệm về sự tán xạ của các arodn lên nhau, người ta có thể chứng minh rằng khi các quark hợp nhất thì tương tác giữa chúng sẽ giảm đi. Hiện tượng này được gọi là tiệm cận miễn phí.

Các hạt được biết là tồn tại trong một thời gian dài ở trạng thái ràng buộc, nhưng không tồn tại lâu trong trạng thái tự do. Ví dụ đơn giản nhất là neutron, nó phải hoạt động vô thời hạn, nhưng ở trạng thái tự do sẽ phân rã trong mười phút. Lý do cho sự “không bay” của các quark bạn bè. Khi khoảng cách giữa các quark lớn hơn bán kính của arodna, lực hút giữa chúng tăng mạnh đến mức chúng không thể di chuyển ra xa nhau ở một khoảng cách lớn mà chúng nhận được khi va chạm.

Khi hai arodon mang năng lượng va chạm nhau, các quark mà chúng chứa không bay ra ngoài mà biến thành các nucleon hoặc meson pi khác.

Để rõ ràng, người ta có thể tưởng tượng rằng arodon giống như một cái túi trong đó các quark chuyển động tự do, nhưng ngoài cái túi đó thì chúng không thể chuyển động. Nếu bạn đưa hai nucleon đến gần một khoảng cách nhỏ hơn kích thước của chiếc túi, bạn sẽ nhận được một chiếc túi chung, trong đó sẽ có sẵn sáu quark. Ở mật độ vật chất neutron cao hơn, khi khoảng cách giữa các neutron tương đương với bán kính của túi, neutron phân rã thành các bộ phận cấu thành của chúng - vật chất neutron biến thành vật chất quark. Các tính toán cho thấy một ngôi sao trở thành quark khi mật độ của nó cao gấp 10-20 lần mật độ hạt nhân. Trong trường hợp này, sự truyền năng lượng và một vụ nổ khác của ngôi sao có thể xảy ra.

Trạng thái quark của một ngôi sao có tồn tại trong tự nhiên không? Hay vật chất neutron, đã ở mật độ hạt nhân, sẽ phát nổ và phân tán? Bất chấp điều này, liệu có khả năng hình thành các lỗ đen không? Thực tế là chúng ta có thể đặt những câu hỏi như vậy cho thấy chúng ta đã tiến xa đến mức nào trong việc tìm hiểu cấu trúc của các sao neutron.

Mỗi người trong chúng ta đều có cách giao tiếp riêng về cái đẹp. Tôi có thể thêm màu sắc mới vào bức tranh thế giới của bạn không, thưa độc giả?