Pulsar (Pulsar)

Pulsar là một sao neutron xoay nhanh, phát ra chùm bức xạ điện từ hẹp. Tên gọi “pulsar” là viết tắt của “pulsating star” (sao đập mạch). Bức xạ này chỉ có thể được quan sát khi chùm bức xạ hướng về phía Trái Đất, tương tự như cách một ngọn hải đăng chỉ có thể được nhìn thấy khi ánh sáng chiếu về phía người quan sát, và nó tạo ra hiệu ứng xung có chu kỳ. Sao neutron có từ trường rất mạnh và tốc độ quay nhanh. Chùm bức xạ phát ra từ các cực từ của sao neutron, và các cực này không nhất thiết phải thẳng hàng với trục quay của sao. Do đó, chùm tia quét qua bầu trời như một chùm sáng hải đăng.

Cơ chế hoạt động

Pulsar được hình thành từ lõi sụp đổ của một ngôi sao khổng lồ trong một vụ nổ siêu tân tinh, nếu ngôi sao đủ lớn. Lõi còn lại cực kỳ đặc và chứa nhiều neutron. Nó xoay rất nhanh và có từ trường mạnh, mạnh hơn từ trường Trái Đất hàng tỷ lần.

Sự quay nhanh của pulsar kết hợp với từ trường mạnh tạo ra một điện trường cực mạnh. Điện trường này gia tốc các hạt mang điện đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, tạo ra bức xạ điện từ. Bức xạ này tập trung thành các chùm hẹp phát ra từ các cực từ.

Chu kỳ của các xung pulsar rất ổn định và chính xác, dao động từ mili giây đến vài giây. Sự ổn định này khiến pulsar trở thành những “đồng hồ” vũ trụ hữu ích cho các nhà thiên văn học.

Các loại Pulsar

Có một số loại pulsar khác nhau, bao gồm:

Pulsar mili giây: Đây là những pulsar quay cực nhanh, với chu kỳ quay trong khoảng mili giây. Chúng thường được tìm thấy trong các hệ sao đôi, nơi vật chất từ ngôi sao đồng hành được bồi tụ lên pulsar, làm tăng tốc độ quay của nó.
Pulsar tia X: Pulsar này phát ra bức xạ chủ yếu ở dải tia X. Chúng thường được tìm thấy trong các hệ sao đôi, nơi vật chất từ ngôi sao đồng hành rơi xuống bề mặt pulsar, tạo ra nhiệt độ rất cao.
Magnetar: Đây là một loại sao neutron có từ trường cực mạnh, mạnh hơn từ trường của pulsar thông thường hàng nghìn lần. Chúng có thể tạo ra các vụ nổ tia gamma khổng lồ.
Pulsar radio: Đây là loại pulsar phổ biến nhất, phát ra bức xạ chủ yếu ở dải sóng radio.

Ý nghĩa khoa học

Pulsar có ý nghĩa khoa học quan trọng vì chúng cung cấp thông tin quý giá về:

Vật lý của vật chất ở mật độ cực cao: Lõi của pulsar là một trong những môi trường đặc nhất trong vũ trụ, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu hành vi của vật chất trong điều kiện khắc nghiệt. Áp suất và mật độ bên trong một pulsar lớn đến mức chúng ta có thể tìm hiểu về các trạng thái vật chất kỳ lạ, vượt ra ngoài hiểu biết hiện tại của chúng ta.
Sự tiến hóa của sao: Việc nghiên cứu pulsar giúp hiểu rõ hơn về quá trình tiến hóa của sao và sự hình thành của các sao neutron. Chúng ta có thể tìm hiểu về giai đoạn cuối cùng của vòng đời của những ngôi sao nặng và cách chúng sụp đổ thành những vật thể cực kỳ đặc này.
Kiểm tra Thuyết tương đối rộng: Các pulsar trong hệ sao đôi cho phép kiểm tra các hiệu ứng của Thuyết tương đối rộng trong trường hấp dẫn mạnh. Sự tương tác hấp dẫn mạnh mẽ giữa pulsar và ngôi sao đồng hành tạo ra một môi trường lý tưởng để kiểm tra các dự đoán của Einstein.
Dẫn đường không gian: Sự ổn định của chu kỳ xung của pulsar có thể được sử dụng để dẫn đường trong không gian. Các pulsar mili giây, với độ chính xác đáng kinh ngạc của chúng, có thể hoạt động như những “phao” dẫn đường cho tàu vũ trụ.

Công thức liên quan

Chu kỳ quay ($P$) và tần số quay ($f$) liên quan với nhau bởi công thức:

$f = \frac{1}{P}$

Năng lượng bức xạ của pulsar tỉ lệ với lũy thừa 4 của tần số quay:

$E \propto f^4$

Sự chậm quay của Pulsar

Mặc dù xung của pulsar rất ổn định, chu kỳ của chúng thực sự tăng dần theo thời gian. Điều này là do pulsar mất năng lượng khi phát ra bức xạ, dẫn đến sự chậm quay. Tốc độ chậm quay này rất nhỏ nhưng có thể đo được và cung cấp thông tin về tuổi của pulsar và cường độ từ trường của nó. Độ giảm chu kỳ quay theo thời gian được ký hiệu là $\dot{P}$.

Pulsar trong hệ sao đôi

Nhiều pulsar được tìm thấy trong hệ sao đôi, quay quanh một ngôi sao đồng hành. Việc nghiên cứu các hệ sao đôi pulsar cung cấp những hiểu biết sâu sắc về tương tác hấp dẫn, chuyển giao khối lượng và sự tiến hóa sao. Một số pulsar mili giây được cho là đã được “quay nhanh” bởi sự bồi tụ vật chất từ ngôi sao đồng hành. Quá trình này diễn ra khi vật chất từ ngôi sao đồng hành bị hút về phía pulsar, làm tăng động lượng góc và tốc độ quay của nó.

Glitch và sự rung sao

Đôi khi, chu kỳ quay của một pulsar đột ngột tăng tốc. Hiện tượng này được gọi là “glitch” và được cho là do sự tương tác giữa lớp vỏ siêu lỏng của sao neutron và lõi rắn của nó. Sự thay đổi đột ngột này trong tốc độ quay được cho là do sự chuyển động của các xoáy lượng tử bên trong sao neutron. Ngoài ra, pulsar cũng có thể trải qua các “rung sao” – những dao động nhỏ trong hình dạng của sao neutron, gây ra những thay đổi tinh tế trong xung của chúng. Những rung động này tương tự như các trận động đất và có thể cung cấp thông tin về cấu trúc bên trong của sao neutron.

Việc phát hiện Pulsar

Pulsar đầu tiên được phát hiện vào năm 1967 bởi Jocelyn Bell Burnell và Antony Hewish. Ban đầu, các xung đều đặn của nó được cho là tín hiệu từ một nền văn minh ngoài Trái Đất, và nguồn tín hiệu được đặt biệt danh là “LGM-1” (viết tắt của “Little Green Men”). Tuy nhiên, người ta nhanh chóng nhận ra rằng các xung này đến từ một sao neutron quay nhanh. Kể từ đó, hàng ngàn pulsar đã được phát hiện bằng kính viễn vọng radio.

Pulsar và Thuyết tương đối rộng

Pulsar cung cấp một phòng thí nghiệm lý tưởng để kiểm tra Thuyết tương đối rộng của Einstein. Trường hấp dẫn mạnh xung quanh một pulsar có thể gây ra sự uốn cong đáng kể của không-thời gian, ảnh hưởng đến đường đi của bức xạ điện từ. Các hiệu ứng như sự tiến động của điểm cận nhật trong hệ sao đôi pulsar đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ Thuyết tương đối rộng. Việc quan sát những hiệu ứng này cho phép các nhà khoa học kiểm tra các dự đoán của thuyết tương đối rộng trong môi trường hấp dẫn cực mạnh.

Tài liệu tham khảo

Lyne, A. G., & Graham-Smith, F. (2012). Pulsar astronomy. Cambridge university press.
Lorimer, D. R., & Kramer, M. (2004). Handbook of pulsar astronomy. Cambridge University Press.
Manchester, R. N., & Taylor, J. H. (1977). Pulsars. WH Freeman.

Tóm tắt về Pulsar

Pulsar là sao neutron quay nhanh, phát ra chùm bức xạ điện từ hẹp. Chúng được hình thành từ lõi sụp đổ của những ngôi sao khối lượng lớn sau vụ nổ siêu tân tinh. Sự quay nhanh và từ trường mạnh của pulsar là yếu tố chính tạo ra bức xạ quan sát được. Khi chùm bức xạ này quét qua Trái Đất, ta quan sát được các xung đều đặn, giống như ánh sáng của một ngọn hải đăng.

Chu kỳ xung của pulsar rất ổn định và có thể dao động từ mili giây đến vài giây. Tuy nhiên, chu kỳ này dần dần tăng lên theo thời gian do pulsar mất năng lượng khi phát xạ, được biểu thị bằng $\dot{P}$. Việc đo lường sự chậm quay này giúp các nhà khoa học ước tính tuổi và cường độ từ trường của pulsar. Đôi khi, chu kỳ quay có thể đột ngột tăng tốc, một hiện tượng được gọi là “glitch.”

Pulsar được phân loại thành nhiều loại khác nhau, bao gồm pulsar mili giây, pulsar tia X, magnetar và pulsar radio, mỗi loại có những đặc điểm riêng biệt. Việc nghiên cứu pulsar cung cấp những hiểu biết quan trọng về vật lý của vật chất ở mật độ cực cao, sự tiến hóa của sao, và kiểm tra Thuyết tương đối rộng. Pulsar trong hệ sao đôi đặc biệt hữu ích cho việc nghiên cứu tương tác hấp dẫn và chuyển giao khối lượng.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu hỏi và trả lời về Pulsar

Dưới đây là 5 câu hỏi để tìm hiểu sâu hơn về pulsar, cùng với câu trả lời tương ứng:

Làm thế nào mà pulsar có thể duy trì sự quay nhanh và ổn định trong thời gian dài như vậy?

Trả lời: Sự quay nhanh và ổn định của pulsar bắt nguồn từ việc bảo toàn mô men động góc. Khi lõi của một ngôi sao khổng lồ sụp đổ thành một sao neutron, kích thước của nó giảm đi đáng kể. Giống như một vận động viên trượt băng kéo tay lại để quay nhanh hơn, sự co lại này làm tăng tốc độ quay của sao neutron. Do có ít ma sát trong không gian, nên pulsar có thể duy trì sự quay nhanh này trong hàng triệu năm.

Tại sao một số pulsar phát ra bức xạ tia X trong khi những pulsar khác phát ra bức xạ radio?

Trả lời: Sự khác biệt trong loại bức xạ phát ra từ pulsar phụ thuộc vào cơ chế tạo ra bức xạ. Pulsar radio phát ra bức xạ do sự gia tốc của các hạt mang điện trong từ quyển mạnh của chúng. Pulsar tia X, thường được tìm thấy trong hệ sao đôi, phát ra bức xạ do vật chất từ ngôi sao đồng hành rơi xuống bề mặt pulsar, nóng lên đến hàng triệu độ và phát ra tia X.

“Glitch” là gì và nó tiết lộ điều gì về cấu trúc bên trong của pulsar?

Trả lời: “Glitch” là sự tăng tốc độ quay đột ngột của pulsar. Hiện tượng này được cho là do sự tương tác giữa lớp vỏ siêu lỏng của sao neutron và lõi rắn bên trong. Khi lớp vỏ siêu lỏng chậm lại, một phần mô men động góc được chuyển sang lõi rắn, làm tăng tốc độ quay. Việc nghiên cứu glitch cung cấp thông tin quý giá về cấu trúc bên trong và trạng thái vật chất của sao neutron.

Làm thế nào pulsar được sử dụng để kiểm tra Thuyết tương đối rộng?

Trả lời: Pulsar trong hệ sao đôi cung cấp một môi trường hấp dẫn mạnh để kiểm tra Thuyết tương đối rộng. Theo Thuyết tương đối rộng, các vật thể khối lượng lớn làm cong không-thời gian xung quanh chúng. Sự uốn cong này ảnh hưởng đến đường đi của bức xạ điện từ từ pulsar, gây ra những hiệu ứng như sự tiến động của điểm cận nhật (sự thay đổi hướng của quỹ đạo elip của pulsar). Việc quan sát chính xác các hiệu ứng này đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ Thuyết tương đối rộng.

Tương lai của nghiên cứu pulsar là gì?

Trả lời: Tương lai của nghiên cứu pulsar hứa hẹn nhiều khám phá thú vị. Các kính viễn vọng radio thế hệ mới, như Square Kilometre Array (SKA), sẽ cho phép phát hiện và nghiên cứu hàng ngàn pulsar mới, bao gồm cả những pulsar ở xa và mờ nhạt. Việc nghiên cứu chi tiết hơn về glitch, rung sao và pulsar trong hệ sao đôi sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vật lý của vật chất ở mật độ cực cao và kiểm tra các lý thuyết cơ bản của vật lý, bao gồm cả Thuyết tương đối rộng. Ngoài ra, pulsar cũng có tiềm năng được sử dụng cho dẫn đường không gian trong tương lai.

Một số điều thú vị về Pulsar

Nhịp đập chính xác: Một số pulsar mili giây có chu kỳ quay ổn định đến mức chúng có thể cạnh tranh với độ chính xác của đồng hồ nguyên tử tốt nhất trên Trái Đất.
Vòng quay chóng mặt: Pulsar quay nhanh nhất được biết đến quay với tốc độ đáng kinh ngạc hơn 700 vòng mỗi giây! Hãy tưởng tượng một vật thể có kích thước bằng một thành phố quay nhanh như vậy.
Từ trường siêu mạnh: Từ trường của một số pulsar, đặc biệt là magnetar, mạnh đến mức có thể bóp méo hình dạng của nguyên tử và thậm chí xé toạc vật chất ở cấp độ phân tử. Nếu bạn đến gần một magnetar với khoảng cách bằng Mặt Trăng đến Trái Đất, từ trường của nó đủ mạnh để xóa sạch dữ liệu trên tất cả thẻ tín dụng trên Trái Đất.
Tín hiệu từ người ngoài hành tinh?: Khi các xung vô tuyến từ pulsar đầu tiên được phát hiện, các nhà khoa học đã rất bối rối trước tính đều đặn của chúng đến nỗi họ đã cân nhắc khả năng đó là tín hiệu từ một nền văn minh ngoài Trái Đất. Nguồn tín hiệu thậm chí còn được đặt biệt danh là “LGM-1”, viết tắt của “Little Green Men” (Những người đàn ông xanh nhỏ).
“Ngôi sao bị rung”: Một số pulsar trải qua “rung sao”, là những dao động nhỏ trong hình dạng của sao neutron, giống như một tiếng chuông vang lên sau khi bị va chạm. Những rung động này có thể cung cấp thông tin có giá trị về cấu trúc bên trong của sao neutron.
Hải đăng vũ trụ: Các chùm bức xạ từ pulsar hoạt động giống như hải đăng vũ trụ, quét qua không gian. Chúng ta chỉ có thể phát hiện ra pulsar nếu chùm tia này hướng về phía Trái Đất.
Phát hiện nhờ sự may mắn: Việc phát hiện ra pulsar đầu tiên là một sự tình cờ. Jocelyn Bell Burnell, một nghiên cứu sinh tại thời điểm đó, đang phân tích dữ liệu từ một kính viễn vọng radio khi cô nhận thấy những tín hiệu kỳ lạ, lặp đi lặp lại. Khám phá này đã dẫn đến việc trao giải Nobel Vật lý năm 1974, mặc dù Bell Burnell đã không được trao giải cùng với người hướng dẫn của mình.