Động Cơ từ trường của Sao Neutron hoạt động như thế nào? | Thư Viện Thiên Văn

Xin chào tất cả các bạn! Tiếp tục với video trả lời câu hỏi, giải đáp những thắc mắc mà các bạn đã gửi tới mình trong phần Q&A. Với mục đích không để trùng lập với những số hỏi đáp trước, mình sẽ phân tích thật kỹ câu hỏi của các bạn và đưa ra câu trả lời sâu nhất có thể. Dĩ nhiên câu trả lời sẽ không thể hoàn hảo được, nhưng chắc chắn sẽ có nhiều thông tin hữu ích. Câu hỏi của ngày hôm nay là của bạn Amipro2220. Bạn hỏi hạt neutron không mang điện. Vậy tư trường của sao neutron hoạt động như thế nào? Đầu tiên, neutron là một hạt không mang điện. Điều này thực ra không hoàn toàn đúng. Về cơ bản, neutron là một hạt trung hòa điện. Nó được tạo ra từ 2 quắc xuống và 1 quắc lên. Với điện tích là trừ 1 phần 3, trừ 1 phần 3 và dương 2 phần 3, cộng lại là bằng 0. Kết quả này không có gì phải bàn cãi. Thế nhưng các quắc tạo nên neutron không phải là những mảnh lego được ghép với nhau cố định. Chúng luôn giao động một cách hỗn loạn, và các giao động đó tạo ra một moment lưỡng cực điện tạm thời. Các giao động này sẽ tự triệt tiều lẫn nhau, nếu như neutron thực sự là một hạt đối xứng chuẩn. Trong vật lý, đối xứng chuẩn hay còn gọi là đối xứng CP, biết tắt của chark, conjugation và parity, đối xứng điện tích và đối xứng gương. Với đối xứng điện tích, ta có các hạt như electron đối xứng với positron, proton đối xứng với phản proton, v.v. Còn đối xứng gương, tức là một hệ thống khi nhìn qua một tấm gương với các hướng không gian thay đổi, thì các định luật vật lý và hành vi của hệ vẫn không thay đổi. Ví dụ, trường hợp 1, nếu neutron là một hạt đối xứng chuẩn, nó sẽ trông giống như một quả bóng tròn hoàn hảo, không có hoa văn hay màu sắc gì khác nhau. Trong trường hợp này, nếu bạn nhìn hạt neutron qua một tấm gương, thì nó vẫn hoàn toàn giống với hạt ban đầu, chẳng có gì khác biệt. Thậm chí nếu hạt neutron đó được làm từ phản vật chất cũng thế, nó hoàn toàn giống với hạt neutron đầu tiên. Trường hợp 2, nếu hạt neutron xuất hiện một vẹt màu lệch sang bên phải, lúc này khi xoay gương, vẹt màu sẽ ở bên trái, và đây được gọi là sự phá vỡ đối xứng CP. Vậy, hạt neutron trong thực tế có phải là một hạt đối xứng chuẩn không? Câu trả lời là không, hoặc đúng hơn là không chắc. Năm 1964, thí nghiệm Cronin-Fritz được thực hiện bởi hai nhà vật lý cùng tên đã chỉ ra sự bất đối xứng CP thông qua tương tác yếu. Để nói tương tận về thí nghiệm này, chắc chắn sẽ mất tầm khoảng 300 kịch bản, cho nên mình sẽ giải thích ngắn gọn như sau. Có hai mission là phiên bản hạt và phản hạt của nhau. Vì là một hạt trung tính nên chúng không triệt tiêu nhau ngay lập tức mà có xu hướng hòa trộn lẫn nhau. Sau khi hòa trộn, chúng tạo ra hai phiên bản, một phiên bản sống nhanh và một phiên bản sống chậm. Vì có tuổi thọ khác nhau, cho nên các hạt này sẽ có kênh phân giã riêng, tức là sau khi phân giã, chúng sẽ tạo ra các sản phẩm riêng biệt. Tuy nhiên, khi thí nghiệm kết thúc, các nhà vật lý nhận thấy có khoảng 0,2% sản phẩm tạo ra của các phiên bản bị lẫn lộn với nhau. Điều này có nghĩa đối xứng CP không được bảo toàn trong tương tác yếu. Nó cũng đồng thời giải thích vì sao vũ trụ ngày nay lại có sự tranh lệch vật chất và phản vật chất như vậy. Nguyên nhân là do sự phá vỡ đối xứng CP thông qua tương tác yếu. Về mặt khoa học, thí nghiệm này cho thấy sự bất đối xứng thông qua sản phẩm phân giã, nhưng nó không cho biết biểu hiện của sự bất đối xứng ở các hạt là như thế nào. Muốn tìm hiểu được điều đó, chúng ta phải đo đạt các hiệu ứng đặc biệt. Nhưng điều này là quá khó vì hạt Mycin tồn tại rất ngắn, không có đủ thời gian để thực hiện các phép đo. Vì vậy, các nhà khoa học đã phải chuyển mục tiêu sang các loại hạt trung hòa khác có thời gian tồn tại lâu hơn, ví dụ như Neutron. Vậy các hiệu ứng đặc biệt ở đây là gì? Đó chính là moment lưỡng cực điện. Hiểu một cách đơn giản thì moment lưỡng cực điện là sự tranh lệch giữa tâm khối lượng và tâm điện tích của hạt. Tâm khối lượng thì dễ hiểu rồi, còn tâm điện tích là nơi mà các hạt mang điện được phân bố giá trị trung bình một cách hiệu quả. Việc tâm khối lượng và tâm điện tích tập trung cùng một điểm sẽ khiến cho hạt đó không bị tác động bởi một điện trường đông nhất từ bên ngoài. Nếu một hạt có moment lưỡng cực điện khác không, nó sẽ tạo ra sự phân bố bất đối xứng của điện tích bên trong hạt, từ đó tạo ra một vector điện. Dưới tác động của điện trường, vector này có thể thay đổi hướng quay của hạt theo thời gian hoặc tạo ra sự lắc lư khi quay. Hiện tượng này được gọi là tiến động spin. Vậy hạt neutron có moment lưỡng cực điện bằng không hay khác không? Câu trả lời là phải đo mới biết được. Trong vật lý, có hai nguyên nhân tạo ra hiện tượng tiến động spin. Một là moment lưỡng cực điện khác không, và hai là moment tử. Về cấu tạo, neutron là một hạt được tạo ra từ ba quắc, và quắc là các hạt mang điện. Chúng đều có spin. Việc các quắc giao động bên trong neutron cộng với spin của hạt gây ra hiệu ứng moment tử. Moment tử này khi tương tác với từ trường của trái đất sẽ tạo ra một moment xoắn gây ra hiệu ứng tiến động spin. Vì moment tử là một tính chất nội tại cho nên ta không thể triệt tiêu nó. Do đó, nếu muốn giảm thiểu tối đa hiệu ứng gây ra bởi moment tử, chỉ còn cách là bố trí các tấm trắn kim loại nhằm loại bỏ từ trường từ bên ngoài, đồng thời tạo ra một vùng từ trường đông nhất bên trong buồng thí nghiệm có độ lớn khoảng 1 microtesla. Bên cạnh đó, phải làm lạnh hạt neutron xuống sát độ không tuyệt đối để giảm thiểu các hiệu ứng gây nhiễu và tăng tuổi thọ của hạt. Mặc dù các điều kiện khắt khe là như vậy, nhưng quả thực việc đo moment lưỡng cực điện của neutron là cực kỳ khó khăn. Nó dựa hoàn toàn vào độ nhạy cảm của thí nghiệm. Hiện tại, các đo đạc chuẩn xác nhất cho ra kết quả là 1,8 x 10-26 ecm được thực hiện bởi viện PSI Thụy Sĩ vào năm 2020. Thế nhưng đây không phải là giá trị thực của nó. Đây thực chất chỉ là giá trị nhỏ nhất mà PSI đạt được. Tức là moment lưỡng cực điện của neutron chắc chắn sẽ nhỏ hơn thế nữa. Các nhà khoa học vẫn chưa dám khẳng định về điều này. Giá trị ước tính được dự đoán có thể lên tới 10-31 ecm. Lưu ý, về đơn vị ecm, ở đây e được hiểu như một điện tích cơ bản, còn cm chính là đơn vị đo khoảng cách. Ví dụ, 1 ecm có nghĩa là một điện tích dương và một điện tích âm cách nhau 1 cm. Quay trở lại với câu hỏi của bạn Army Pro, ta có thể kết luận neutron là một hạt trung hòa điện về mặt định nghĩa thông thường. Tuy nhiên, về các học lượng tử, thì neutron không hoàn toàn là một hạt trung hòa. Vậy, tất cả những điều này có liên quan gì tới từ trường của sao neutron không? Sao neutron là một thiên thể vũ trụ có từ trường mạnh nhất mà chúng ta biết. Hiện tại, cơ chế gây ra từ trường của sao neutron vẫn chưa được biết một cách rõ ràng. Một phần của sự chưa hiểu biết rõ này đến từ việc chúng ta không biết sao neutron được cấu tạo như thế nào. Nhưng về cơ bản, ta có thể suy đoán từ trường đó được xuất phát từ một vài yếu tố như momentum, bảo toàn thông lượng từ, cuối cùng là trạng thái siêu lỏng và siêu dẫn của vật chất bên trong. Với các mô hình tiến hóa sao có độ tin cậy cao nhất, sao neutron được sinh ra do sự suy sụp của một ngôi sao siêu lớn trong dãy chính. Nó khiến cho vật chất bị rơi vào trạng thái thoái hóa neutron. Tức là lõi ngôi sao neutron gần như được tạo hoàn toàn từ neutron nguyên chất với áp suất nén cực kỳ cao. Áp suất này khiến cho electron rơi vào hạt nhân, biến phần lớn proton thành neutron. Phần còn lại chiếm khoảng dưới 10% là hỗn hợp plasma proton cộng electron. Những nghiên cứu mới nhất cho thấy vận tốc âm thanh truyền qua sao neutron có thể bằng 3 phần tư vận tốc ánh sáng, tức là rơi vào khoảng 225.000 km một giây. Đây là một phát hiện gây chấn động vì nó cho thấy độ cứng của sao neutron lớn hơn rất rất nhiều so với những dự đoán trước kia. Ngoài ra, điều này cũng gây ra sự nghi ngờ về thành phần cấu tạo bên trong của nó. Một vài dự đoán mới về lõi sao neutron chỉ ra. Với áp suất nén cùng độ cứng khủng khiếp như vậy, có thể lõi sao neutron được tạo ra từ vật chất quắc. Nó có thể là quắc tự do, hoặc cũng có thể là các cấu hình quắc đa dạng hơn hatron, ví dụ như tetraquac, pentaquac hay thậm chí là hesaquac. Các tên gọi này tương ứng với hạt có cấu hình 4, 5 hoặc 6 quắc. Mặc dù đây chỉ là dự đoán, nhưng nó cũng phần nào phản ánh sự hiểu biết của chúng ta về sao neutron là cực kỳ hạn chế. Quay lại với vấn đề từ trường. Về bản chất, từ trường được sinh ra khi có các dòng điện di chuyển. Vậy chắc chắn bên trong sao neutron cũng phải có các dòng điện di chuyển. Mà dòng điện thì chỉ có thể là eretron hoặc proton. Vậy, các hạt này di chuyển ở đâu trong khi sao neutron cực kỳ cứng và đậm đặc? Câu trả lời là bên trong sao neutron hình thành các lớp vật liệu siêu dẫn và cũng có thể là siêu lỏng. Vật liệu siêu dẫn thì không có điện trở, còn siêu lỏng thì không có ma sát. Chính các tính chất này làm cho các hạt di chuyển mà không mất đi động năng, cũng như không bị hao hụt điện tích theo thời gian. Tóm lại, tư trường của sao neutron có thể đến từ các lớp vật liệu mang điện như proton và eretron còn sót lại sau quá trình ngôi sao sụp đổ. Chúng liên tục di chuyển bên trong các lớp vật liệu siêu lỏng và siêu dẫn, hoặc cũng có thể là chúng di chuyển trong chính nó để tạo ra các dòng điện. Dòng điện được tạo ra kết hợp với momentum cực mạnh cộng với sự bảo toàn thông lượng từ của ngôi sao ban đầu, khiến cho nó xoắn lại. Quá trình này tác động qua lại lẫn nhau theo kiểu plasma dẫn điện tạo ra tư trường. Tư trường tác động lên plasma sinh ra thêm các dòng điện. Cứ như vậy, quá trình này được gọi là hiệu ứng dynamo hay khuếch đại tư trường. Về cơ bản, hiệu ứng này không khác gì một động cơ turbo tăng cường cấp độ vũ trụ.