Sao xung

Một ngôi sao chết trở thành ngọn hải đăng vũ trụ như thế nào

Từng bước

Ngôi sao cỡ một thành phố

Khi một ngôi sao nặng hơn tám Mặt Trời chết đi, lõi của nó sụp thành một sao neutron: khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt Trời gói trong một quả cầu rộng chừng 22 km.

Một ngôi sao lớn tỏa sáng bằng cách hợp nhất các nguyên tử nhẹ thành nguyên tử nặng hơn trong lõi. Khi lõi đã biến thành sắt, ngọn lửa ấy tắt, vì hợp nhất sắt không sinh ra năng lượng. Không còn gì chống đỡ, cái lõi to cỡ Trái Đất sụp vào chính nó trong chưa đầy một giây.

Sức ép lớn đến mức các electron bị ép vào proton, biến chúng thành neutron. Cú sụp chỉ dừng lại khi các neutron bị nén chặt như trong hạt nhân nguyên tử. Phần còn lại của ngôi sao bị thổi tung vào không gian trong một vụ siêu tân tinh, để lại sao neutron.

Ngoài lỗ đen, không có gì được biết đến đặc hơn: một viên đường cỡ khối vuông làm từ sao neutron sẽ nặng ngang tất cả mọi người trên Trái Đất cộng lại. Lực hấp dẫn của nó bẻ cong ánh sáng. Vòng các ngôi sao bị kéo giãn quanh nó là ánh sao bị lực hút của nó bẻ cong, và ta thấy được khoảng bốn phần năm bề mặt của nó cùng lúc.

Một nam châm đang quay

Vụ sụp đổ khiến nó quay rất nhanh và nén từ trường của nó mạnh gấp hàng nghìn tỉ lần từ trường Trái Đất. Các cực từ của nó nghiêng so với trục quay.

Hãy nghĩ đến một vận động viên trượt băng co tay lại và xoay nhanh hơn. Lõi của ngôi sao sắp chết vốn quay chậm, nhưng khi co từ cỡ Trái Đất xuống cỡ một thành phố, nó quay nhanh hơn hàng trăm nghìn lần. Sao neutron mới sinh có thể quay nhiều vòng mỗi giây.

Sự nén ép cũng dồn từ trường của ngôi sao vào một không gian nhỏ hơn rất nhiều, khiến nó mạnh lên vô cùng. Một số sao neutron, gọi là sao từ, còn mạnh hơn nghìn lần nữa: những nam châm mạnh nhất từng biết.

Giống như trên Trái Đất, các cực từ không nằm ở chỗ trục quay đi ra. Đường nét đứt màu trắng là trục mà ngôi sao quay quanh, còn đường màu tím là trục từ của nó, nghiêng so với trục quay. Chính độ nghiêng đó sẽ biến ngôi sao thành một ngọn hải đăng.

Hai chùm tia

Phía trên các cực từ, những hạt bị bứt khỏi bề mặt lao ra dọc theo từ trường và phát ra hai chùm sóng vô tuyến hẹp. Sóng vô tuyến vô hình nên ở đây được vẽ màu xanh lục.

Một nam châm quay sẽ tạo ra điện: đó là cách máy phát điện trong nhà máy điện hoạt động. Sao neutron là một máy phát khổng lồ. Chuyển động quay của nó tạo ra hiệu điện thế hàng nghìn tỉ vôn, đủ mạnh để giật electron và các hạt mang điện khác ra khỏi bề mặt.

Các hạt mang điện chỉ có thể di chuyển dọc theo đường sức từ, như hạt cườm trên sợi dây. Phía trên mỗi cực từ, các đường sức dẫn ra không gian, và ở đó các hạt bị phóng ra ngoài với tốc độ gần bằng ánh sáng. Trên đường đi, chúng phát sóng vô tuyến trong một hình nón hẹp: chùm tia. Chúng làm điều đó chính xác ra sao vẫn là câu đố các nhà khoa học đang tìm lời giải.

Năng lượng của các chùm tia lấy từ chuyển động quay của ngôi sao, nên mọi sao xung đều chậm dần qua hàng triệu năm. Một số, như sao xung Con Cua và sao xung Vela, còn nhấp nháy cả ở ánh sáng khả kiến, tia X và tia gamma.

Ngọn hải đăng vũ trụ

Khi ngôi sao quay, các chùm tia quét khắp bầu trời như đèn hải đăng. Mỗi lần một chùm lướt qua Trái Đất, kính thiên văn vô tuyến bắt được một xung.

Các chùm tia gắn với các cực từ, mà các cực này lại nghiêng, nên khi ngôi sao quay, mỗi chùm quét một vòng tròn trên bầu trời. Ngôi sao không bật tắt: như ngọn đèn hải đăng, nó sáng liên tục, và ta chỉ thấy một chớp sáng khi chùm tia hướng về phía ta.

Mũi tên vàng chỉ hướng về Trái Đất. Đường màu xanh lá phía trên phần chữ là tín hiệu vô tuyến mà một kính thiên văn vô tuyến trên Trái Đất ghi lại: phẳng khi các chùm tia hướng đi nơi khác, và vọt lên mỗi lần một chùm quét qua ta.

Chùm tia của phần lớn sao xung không bao giờ quét qua Trái Đất, nên ta hoàn toàn không thấy chúng. Dù vậy, đã có hơn 4.000 sao xung được tìm thấy, gần như tất cả đều trong thiên hà của chúng ta.

Tốc độ thật của nó

Khi quay chậm, bạn có thể theo dõi từng vòng. Sao xung Vela thật ra quay 11 vòng mỗi giây, còn sao xung nhanh nhất từng biết quay 716 vòng. Chọn một sao xung để xem và nghe.

Đến giờ, chuyển động quay đã được làm chậm để bạn theo kịp. Nút ở phía trên chuyển giữa quay chậm và tốc độ thật, còn danh sách bên cạnh có bốn sao xung thật, từ sao xung đầu tiên được phát hiện, quay một vòng mỗi 1,34 giây, đến sao xung nhanh nhất từng biết.

Nhanh nhất là PSR J1748−2446ad, quay 716 vòng mỗi giây: xích đạo của nó lao đi với khoảng một phần năm tốc độ ánh sáng. Những sao xung nhanh như vậy là sao xung già được làm quay nhanh trở lại. Một ngôi sao đồng hành đã đổ khí lên chúng, đẩy chúng quay ngày càng nhanh, như bàn tay đẩy vòng đu quay ngựa gỗ.

Khi bật âm thanh, bạn có thể nghe thấy sự khác biệt. Sao xung chậm đập như tiếng trống, sao xung nhanh kêu vo vo, và ở hàng trăm xung mỗi giây, các nhịp hòa thành một nốt nhạc.

Hình trụ ánh sáng

Từ trường neo vào ngôi sao và quay cùng nó, như nan hoa của bánh xe. Càng ra xa dọc theo nan hoa thì nó chuyển động càng nhanh, cũng như mép vòng đu quay ngựa gỗ chạy nhanh hơn phần giữa.

Bên trong hình trụ, các đường sức vòng trở lại ngôi sao, và các hạt trên đó quay cùng nó. Những đường sức lẽ ra vươn xa hơn thì không thể khép lại: chúng mở ra và kéo dài thành hình xoắn ốc, mang theo một luồng gió hạt với tốc độ gần bằng ánh sáng. Quanh sao xung Con Cua, luồng gió này thắp sáng toàn bộ Tinh vân Con Cua, rộng khoảng 11 năm ánh sáng.

Những chiếc đồng hồ trên bầu trời

Jocelyn Bell Burnell phát hiện sao xung đầu tiên năm 1967. Sao xung giữ nhịp đều đến mức một tấm bản đồ 14 sao xung trên các tàu Pioneer và Voyager cho biết Mặt Trời của chúng ta ở đâu.

Năm 1967, Jocelyn Bell Burnell, một nghiên cứu sinh ở Cambridge, nhận ra một chút “nét nguệch ngoạc” trên băng giấy ghi của một kính thiên văn vô tuyến mà chính cô góp tay xây dựng: các xung cách nhau 1,34 giây, đều đặn như đồng hồ. Nhóm nghiên cứu nửa đùa nửa thật gọi nguồn này là LGM-1, viết tắt của “little green men” (người xanh nhỏ bé), cho đến khi tìm thấy thêm nhiều nguồn khác và hóa ra chúng là các sao neutron đang quay.

Giải Nobel năm 1974 cho khám phá này được trao cho người hướng dẫn của cô, Antony Hewish, chứ không phải cô. Năm 2018, bà nhận Giải Breakthrough trị giá 3 triệu đô la và tặng toàn bộ để giúp sinh viên thuộc các nhóm ít được đại diện trong ngành vật lý.

Những sao xung nhanh nhất giữ giờ chính xác gần như đồng hồ nguyên tử. Việc đo thời gian một sao xung đã phát hiện ra những hành tinh đầu tiên từng được tìm thấy quanh một ngôi sao khác, vào năm 1992. Và bằng cách đo thời gian 68 sao xung trong 15 năm, năm 2023 các nhà thiên văn đã tìm thấy dấu hiệu của sóng hấp dẫn, những gợn sóng của chính không gian, đang lan qua thiên hà của chúng ta.

Bản đồ trên các tấm biển của tàu Pioneer và đĩa ghi của tàu Voyager cho biết hướng, khoảng cách và nhịp của 14 sao xung nhìn từ Mặt Trời. Sao xung chậm dần một cách đều đặn, nên ai tìm thấy nó có thể suy ra không chỉ các tàu đến từ đâu mà còn gần đúng khi nào chúng khởi hành.