Sao neutron giúp truy tìm vật chất tối

Sao neutron- phòng thí nghiệm trong thiên hà
Nhiệm vụ khám phá ra nguồn gốc tự nhiên của vật chất tối là một trong những thử thách lớn nhất trong giới khoa học hiện nay.

Cho tới nay, các nhà khoa học đã có thể suy luận được về sự tồn tại của vật chất tối, nhưng không phải theo cách tiếp cận trực diện. Các thử nghiệm dò tìm các vật chất tối tiến hành trên Trái Đất rất kỳ công bởi sự tương tác giữa các vật chất tối với các vật thể thông thường là vô cùng hiếm.

Để truy tìm các dấu hiệu cực hiếm này, chúng ta cần thiết bị dò rất lớn – thậm chí lớn tới nỗi chúng trở nên phi thực tế để có thể lắp ráp trên Trái Đất. Tuy nhiên, thiên nhiên đã ban cho ta một lựa chọn thay thế, đó là các sao neutron.

Trong một nghiên cứu xuất bản trên tờ Physical Review Letters, các nhà khoa học đã có thể xác định được mức độ chính xác của các thông tin thu thập được từ những thiết bị dò vật chất tối đặc biệt này.

Sao neutron là những ngôi sao đặc nhất từng được hình thành và tồn tại khi những vì sao khổng lồ chết đi trong các vụ nổ siêu tân tinh. Các vụ nổ này để lại những tâm lõi vỡ vụn, nơi mà lực nén vật chất chặt tới mức khiến cho proton và electron hòa vào làm một, tạo thành neutron. Với một khối lượng tương đương với khối lượng của Mặt Trời bị nén trong bán kính 10km, 1 thìa cà phê vật chất sao neutron có khối lượng cỡ 1 tỉ tấn!

Những ngôi sao này giống như các “phòng thí nghiệm trong thiên hà”, cho phép chúng ta nghiên cứu cách mà vật chất tối biến đổi dưới các điều kiện khắc nghiệt không thể mô phỏng được trên Trái Đất.

Vật chất tối chỉ tương tác rất ít với các vật chất thông thường. Ví dụ, nó có thể đi xuyên lớp chì dày 1 năm ánh sáng (khoảng 10 nghìn tỉ km) mà không bị đứt quãng. Và phi thường hơn, các ngôi sao neutron đặc đến mức mà chúng có thể giữ lại các vật chất tối.

Về mặt lí thuyết, các vật chất tối sẽ kết hợp với các neutron trong sao, làm hao hụt năng lượng và rơi vào trạng thái mắc kẹt trọng lực. Theo thời gian, các vật chất tối sẽ tích tụ lại trong lõi của ngôi sao. Hiện tượng này sẽ làm tăng nhiệt lượng của những ngôi sao neutron già cỗi và lạnh lẽo này. Trong một số trường hợp cực đoan, sự tích tụ chất tối có thể dẫn tới sự hủy diệt của một vì sao, tạo thành một hố đen.

Điều này có nghĩa là các ngôi sao neutron có thể giúp ta thăm dò một số loại vật chất tối nhất định mà rất khó hoặc không thể tiến hành thử nghiệm quan sát trên Trái Đất.

Nghiên cứu mở đường
Trên Trái Đất, các thí nghiệm vật chất tối hướng tới tín hiệu siêu nhỏ của các hạt nhân, gây ra bởi sự va chạm cực kỳ hiếm của các hạt vật chất tối chuyển động chậm. Ngược lại, trường trọng lực mạnh của các ngôi sao neutron làm tăng vận tốc của vật chất tối dẫn đến sự va chạm năng lượng cao hơn rất nhiều.

Một vấn đề khác về các cuộc thăm dò tiến hành tại Trái Đất đó là các thử nghiệm hạt nhân thường rất nhạy cảm với các vật chất tối có khối lượng tương tự như hạt nhân nguyên tử. Điều này làm nhiễu quá trình dò tìm vật chất tối.

Mặc dù vậy, về mặt lí thuyết, vật chất tối vẫn có thể bị giữ lại một lượng đáng kể trong các ngôi sao mà không bị ảnh hưởng bởi độ nặng nhẹ của chúng.

Một thử thách quan trọng trong việc sử dụng sao neutron để dò chất tối đó là đảm bảo các phép tính mà nhà khoa học sử dụng phải chi phối được cả sự đặc biệt của môi trường trên các ngôi sao.

Mặc dù sự bắt giữ vật chất tối trong sao neutron đã được nghiên cứu trong hàng thập kỷ nay, các phép tính hiện có vẫn còn thiếu sót nhiều tác động vật lý quan trọng.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã đặt ra mục tiêu chính để phát triển phép toán tính tỉ lệ vật chất tối bị giữ lại, hay nói cách khác là tốc độ vật chất tối tích tụ trong sao neutron.

Trong thí nghiệm này, các nhà khoa học cho thấy các va chạm vật chất tối trong môi trường khắc nghiệt của sao neutron khác xa so với các thiết bị dò vật chất tối trên Trái Đất

Nghiên cứu mới này đã giúp gia tăng đáng kể tính xác thực của các ước tính về tỉ lệ bắt giữ vật chất tối. Đây cũng là nghiên cứu mở đường giúp chúng ta xác định chính xác hơn lực tương tác giữa vật chất tối và vật chất thông thường.