Dùng sao neutron để dò vật chất tối
Việc khám phá bản chất của vật chất tối là một trong những thách thức lớn nhất của khoa học ngày nay, vấn đề quan trọng là cuối cùng hiểu được thứ vật chất bí ẩn đó có thể có trong các ngôi sao trong vũ trụ.
Hoặc chính xác hơn, một dạng cụ thể của sao – sao neutron.
Hiện tại thì các nhà khoa học đã có thể suy ra được sự tồn tại của vật chất tối nhưng chưa thể quan sát nó một cách trực tiếp. Trên thực tế việc dò các hạt vật chất tối trong các thí nghiệm trên trái đất là một nhiệm vụ vô cùng phức tạp, bởi vì những tương tác của các hạt vật chất tối với vật chất thông thường vô cùng hiếm.
Để nghiên cứu về các tín hiệu vô cùng hiếm gặp đó, chúng ta cần một máy dò vô cùng lớn – có lẽ quá lớn để có thể xây dựng được một máy dò đủ lớn trên trái đất. Tuy nhiên, tự nhiên đem lại cho chúng ta một lựa chọn thay thế dưới dạng các ngôi sao neutron – một ngôi sao neutron có thể đóng vai trò như một máy dò vật chất tối.
Trong nghiên cứu xuất bản trên Physical Review Letters, chúng ta cùng xem xét cách sử dụng thông tin nhiều chính xác hơn từ các máy dò vật chất tối tự nhiên độc nhất vô nhị đó.
Các sao neutron là các ngôi sao kết cấu đặc nhất được biết còn tồn tại và hình thành khi các ngôi sao siêu khổng lồ suy sụp hấp dẫn trong các vụ nổ siêu tân tinh. Trong quá trình suy sụp ở lõi các ngôi sao đó, hấp dẫn nén vật chất đến mức vô cùng chặt, khiến các proton và electron kết hợp thành các neutron. Chúng ta có thể so sánh khối lượng đó với mặt trời – được nén với mức 10km radius – một cái thìa cà phê sao neutron với khối lượng của một vật thể nặng một tỉ tấn!
Các ngôi sao đó là “những phòng thí nghiệm vũ trụ”, cho phép chúng ta nghiên cứu về vật chất tối hành xử trong những điều kiện cực đoan mà chúng ta không thể tái lập trên trái đất.
Vật chất tối chỉ tương tác một cách rất yếu với vật chất thông thường. Về mặt lý thuyết, các hạt vật chất tối có thể va chạm với neutron trong ngôi sao này, mất năng lượng và bị bẫy về mặt hấp dẫn. Theo thời gian, các hạt vật chất tối có thể tập hợp trong lõi của ngôi sao này. Đây là điều được chờ đợi để gia nhiệt cho các ngôi sao đã trở nên lạnh và già, đưa các ngôi sao neutron đạt đến một mức có thể quan sát được trong tương lai. Trong một số trường hợp cực đoan, sự tập hợp của vật chất tối có thể kích hoạt sự suy sụp của ngôi sao thành một lỗ đen.
Điều này có nghĩa là các ngôi sao neutron có thể cho phép chúng ta dò được các dạng cụ thể của vật chất tối mà có thể khó quan sát hoặc không thể quan sát trong các thực nghiệm từ trái đất.
Trên trái đất, các thí nghiệm về vật chất tối tìm những tín hiệu giật lùi hạt nhân nhỏ nhất, do các vụ va chạm hiếm của các hạt vật chất tối dịch chuyển siêu chậm. Để so sánh, trường hấp dẫn mạnh của một ngôi sao neutron gia tốc vật chất tối đến các tốc độ giả tương đối tính, kết quả trong những va chạm ở mức năng lượng cao hơn.
Vấn đề khác với việc dò từ trái đất là các thí nghiệm giật lùi hạt nhân đều nhạy với các hạt vật chất tối vốn có khối lượng tương tự với hạt nhân nguyên tử, điều đó khiến cho khó dò được vật chất tối, vốn có thể nặng hơn hoặc nhẹ hơn hạt nhân nguyên tử.
Tuy vậy, về mặt lý thuyết thì các hạt vật chất tối có thể bị bẫy trong các ngôi sao và các hành tinh với số lượng lớn, bất chấp chúng nhẹ hơn hay nặng hơn.
Một thách thức lớn khác trong việc sử dụng các ngôi sao neutron để dò vật chất tối là đảm bảo cho các phép tính mà các nhà khoa học sử dụng, tính đến cả môi trường độc nhất vô nhị của ngôi sao dạng này. Dẫu việc nắm bắt vật chất tối trong các ngôi sao neutron đã được nghiên cứu hàng thập kỷ, những tính toán hiện tại đã để lỡ những hiệu ứng vật lý quan trọng.
Vì vậy nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã thiết lập những cải thiện quan trọng cho tính toán việc nắm bắt tỉ lệ vật chất tối…, cách vật chất tối quy tụ nhanh như thế nào trong những ngôi sao neutron – vốn thay đổi đáng kể những câu trả lời.
Nghiên cứu của chúng tôi đã bao gồm một cách chính xác hơn cấu trúc hạt nhân hơn là xử lý các neutron như các hạt điểm, và bao gồm các hiệu ứng tương tác mạnh giữa các nucleon hơn là mô hình hóa các neutron như một dạng hạt khí tự do. Điều này được xây dựng trên công trình nghiên cứu trước đó của chúng tôi, trong đo tích hợp thành phần của ngôi sao, những hiệu ứng liên quan, thống kê lượng tử và tập trung hấp dẫn.
Đơn giản hơn, chúng tôi muốn chứng tỏ cách nghĩ đúng đắn hơn về những va chạm vật chất tối trong môi trường cực đoan của sao neutron, vốn rất khác biệt với những máy dò vật chất tối trên trái đất.
Nghiên cứu mới đã làm tăng thêm độ chính xác và những ước đoán sát thực hơn về việc nắm bắt tỉ lệ vật chất tối. Bài báo này là cách đưa chúng ta đến việc xác định cường độ tương tác của vật chất tối với vật chất thông thường.
Cuối cùng, bằng chứng (hoặc thiếu bằng chứng) về sự tập hợp vật chất tối trong các ngôi sao có thể đem lại nhữn manh mối giá trị về việc định hướng nơi nào trên trái đất cần đặt các thí nghiệm, qua đó giúp chúng ta mở khóa được bí ẩn của vật chất tối.
Anh Vũ tổng hơp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-10-neutron-stars-dark.html
