About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
Cứ khoảng mỗi một thế kỷ, một ngôi sao khổng lồ ở đâu đó trong thiên hà của chúng ta sẽ cạn kiệt nhiên liệu. Điều này xảy ra sau hàng triệu năm khi nhiệt độ và áp suất đã biến nhiên liệu hydro của ngôi sao thành các nguyên tố nặng hơn như heli, carbon, nitơ và cuối cùng là sắt. Không còn khả năng tạo ra đủ năng lượng để duy trì cấu trúc của mình, ngôi sao sụp đổ do lực hấp dẫn của nó và nổ tung thành một siêu tân tinh. Ngôi sao bắn hầu hết vật chất của mình vào không gian, gieo những nguyên tố nặng vào thiên hà. Nhưng những gì còn lại của ngôi sao chết thậm chí còn đáng kinh ngạc hơn: một quả cầu vật chất đặc đến mức mà các electron nguyên tử bị tách khỏi quỹ đạo lượng tử của chúng vào sâu trong hạt nhân. Cái chết của ngôi sao đó đã sinh ra một sao neutron: một trong những vật thể đặc nhất từng được biết đến trong vũ trụ, cùng một loạt những tính chất vật lý của vật chất siêu đặc này.
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
Nhưng sao neutron là gì? Hãy nghĩ về một quả cầu với các proton và electron bị nén vào cùng neutron và hình thành một dạng chất lỏng lý tưởng gọi là Chất siêu lỏng --- được bao bọc trong một lớp vỏ cứng. Vật chất này là cực kỳ đặc- đến mức khối lượng của một chiếc tàu chất đầy hàng có kích thước chỉ bằng sợi tóc, hay khối lượng của cả ngọn núi Everest gói gọn trong cỡ một viên đường. Sâu xuống lớp vỏ, dòng neutron siêu lỏng hình thành những pha khác nhau mà các nhà vật lý gọi là "Mỳ hạt nhân", vì chúng các dạng từ giống như lagsana cho đến hình dạng như sợi mỳ spaghetti.
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
Sao tiền thân của sao neutron thường tự quay quanh trục. Khi sụp đổ, một ngôi sao có đường kính hàng triệu cây số sẽ nén lại thành một sao neutron có đường kính chỉ cỡ 25 cây số. Nhưng mô-men động lượng vẫn được bảo toàn. Nên giống như việc một người trượt băng sẽ tăng tốc độ quay khi họ thu cánh tay mình lại, sao neutron xoay nhanh hơn rất nhiều so với tiền thân của nó. Sao neutron nhanh nhất từng ghi nhận xoay 700 vòng mỗi giây, nghĩa là một điểm trên bề mặt ngôi sao sẽ xoay trong không gian với vận tốc bằng một phần năm vận tốc ánh sáng. Sao neutron cũng có trường lực từ mạnh nhất từng được biết. Sự tập trung từ lực này hình thành nên các xoáy phóng ra các tia năng lượng từ các hố từ trường. Vì các hố không cố định thẳng hàng với trục của ngôi sao, các tia phát xạ xoay tròn giống như ngọn đèn hải đăng, nhấp nháy khi được nhìn từ Trái đất. Chúng ta gọi chúng là Sao xung. Việc phát hiện ra một trong những tín hiệu nhấp nháy kì lạ này là nhờ vào nhà vật thiên văn Jocelyn Bell vào năm 1967 bằng đúng cách mà chúng ta đã gián tiếp phát hiện ra sao neutron lần đầu tiên. Sự tự quay điên cuồng của một sao neutron sẽ chậm lại sao mỗi hàng tỷ năm do sự phát xạ năng lượng dưới dạng điện từ và sóng hấp dẫn.
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
Nhưng không phải sao neutron nào cũng biến mất trong thầm lặng. Ví dụ, chúng ta đã quan sát được những hệ sao đôi nơi mà sao neutron đồng hành cùng quỹ đạo với một sao khác. Sao neutron có thể hấp thu dần người bạn đồng hành nhẹ hơn, tạo thành một đĩa khí nóng ngày càng mở rộng xung quanh trước khi nó sụp đổ thành một lỗ đen.
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
Khi mà nhiều ngôi sao tồn tại dưới dạng hệ sao đôi, chỉ một phần nhỏ trong đó sẽ hình thành hệ sao neutron đôi, nơi mà hai sao neutron quay quanh nhau trong một vũ điệu chết chóc. Khi chúng cuối cùng hợp nhất với nhau, chúng tạo ra sóng hấp dẫn trong không gian giống như khi quăng một hòn đá vào trong hồ nước tĩnh.
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
Thuyết tương đối rộng của Einstein dự đoán hiện tượng này hơn 100 năm trước, nhưng nó chỉ được xác thực mãi đến năm 2017, khi máy quan sát sóng hấp dẫn LIGO và VIRGO quan sát được sự va chạm của một sau neutron. Nhiều kính thiên văn ghi nhận được một sự bùng nổ tia gamma và một chớp sáng, sau đó là các tín hiệu tia X và sóng vô tuyến từ cùng một vụ va chạm. Điều đó trở thành sự kiện đáng chú ý nhất trong lịch sử ngành thiên văn. Nó tạo ra những dữ liệu quý báu để xác định chính xác tốc độ rơi tự do, củng cố các học thuyết quan trọng của các nhà thiên văn, và cung cấp bằng chứng về nguồn gốc của các nguyên tố nặng như vàng và bạch kim.
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
Các sao neutron vẫn chưa tiết lộ hết các bí ẩn của chúng. LOGO và VIRGO đang được nâng cấp để có thể phát hiện nhiều sự va chạm hơn. Điều đó sẽ giúp chúng ta hiểu cách những quả cầu nam châm xoay tít, phát xạ và cực kì đặc này có thể giúp chúng ta hiểu về vũ trụ.