Tiểu luận SAO NEUTRON

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ Tiểu luận SAO NEUTRON Học phần: Thiên văn học đại cương GVHD: Cao Anh Tuấn Sinh viên thực hiện: Lê Thị Trà My Mai Thành Nguyên Đào Thái Quang Nguyễn Hạnh Quyên Nguyễn Hoàng Khả Tú 43.01.102.035 43.01.102.039 43.01.102.049 43.01.102.051 43.01.102.071 Tp, Hồ Chí Minh tháng 11 năm 2019 Mục Lục SAO NEUTRON I LỊCH SỬ KHÁM PHÁ VÀ SỰ HÌNH THÀNH Lịch sử khám phá Hình thành II CẤU TRÚC CỦA SAO NEUTRON III ĐẶC ĐIỂM Khối lượng nhiệt độ Mật độ áp suất Từ trường IV NĂNG LƯỢNG V SỰ QUAY Spin down Spin up 10 VI PHÂN LOẠI SAO NEUTRON 11 Pulsar (sao xung) 11 Sao từ 12 VII SỐ LƯỢNG VÀ KHOẢNG CÁCH CỦA CÁC SAO 12 MỘT SỐ KHÁM PHÁ VỀ SAO NEUTRON TRONG THỜI KỲ HIỆN NAY 14 VIII Danh mục tài liệu tham khảo 16 SAO NEUTRON I LỊCH SỬ KHÁM PHÁ VÀ SỰ HÌNH THÀNH Lịch sử khám phá Năm 1932, Sir James Chadwick khám phá neutron hạt bản, trao Giải Nobel Vật lý năm 1935 Năm 1933, Walter Baade Fritz Zwicky đưa giả thuyết tồn neutron, năm sau Chadwick khám phá neutron Trong tìm cách giải thích nguồn gốc siêu tân tinh, họ cho neutron hình thành siêu tân tinh Các siêu tân tinh thường bất ngờ xuất bầu trời, độ sáng quang học chúng lớn toàn ngân hà nhiều ngày tới nhiều tuần Baade Zwicky đưa giả thuyết giải phóng trọng trường neutron tạo lượng cho siêu tân tinh: "Trong trình hình thành siêu tân tinh, vật chất chuyển hóa thành lượng tỏa bên ngồi" Lấy ví dụ, phần trung tâm ngơi lớn trước sụp đổ có khối lượng lần khối lượng Mặt Trời, neutron với khối lượng cỡ hai lần Mặt Trời hình thành sau sụp đổ Phần lượng E tỏa bên thu từ chênh lệch khối lượng, theo công thức � = ��2, tương đương với khối lượng Mặt Trời Chính lượng cung cấp cho siêu tân tinh Năm 1967, Jocelyn Bell Anthony Hewish khám phá xung radio từ pulsar neutron biệt lập, quay Nguồn lượng lượng quay neutron Đa số neutron biết tới dạng Năm 1971, Riccardo Giacconi, Herbert Gursky, Ed Kellogg, R Levinson, E Schreier, H Tananbaum khám phá xung 4.8 giây nguồn tia X chòm Centaurus, Cen X-3 Họ cho xuất phát từ ngơi neutron nóng quay quỹ đạo quanh khác Nguồn lượng lượng hấp dẫn có nhờ số lượng khí rơi vào bề mặt neutron Hình thành Trong vịng đời ngơi có cân lực hấp dẫn áp suất: lực hấp dẫn kéo vật chất vào bên áp suất đẩy nhiệt độ cực cao ánh sáng sinh phản ứng nhiệt hạch đốt cháy khí Hydro thành Helium lõi Đối với ngơi khổng lồ, q trình diễn hàng tỷ năm khơng cịn hydro Lúc lực hấp dẫn chiếm ưu thế, phần lõi bị nén lại nóng lên Sự tăng nhiệt độ hình thành, biến helium tạo nên nguyên tố nặng tạm thời ngăn chặn suy sụp lực hấp dẫn Các chu kỳ tiếp tục qua hàng thiên niên kỷ, với lõi ngày trở nên nóng đặc Trong vùng bên lõi, khối lượng tro sắt bắt đầu tạo thành Đây phần cuối vòng đời sắt hợp thành nguyên tố nặng sinh lượng đủ lớn trước Khi lượng sắt đủ lớn tích tụ lõi, sụp đổ nhanh chóng Electron proton "vắt" với để hình thành neutron lực hấp dẫn lớn Các neutron tạm thời dội ngăn chặn sụp đổ Các lớp bên ngồi ngơi sao bị thổi bay vụ nổ siêu tân tinh, vụ nổ ngoạn mục tự nhiên Lõi cịn lại ngơi sao, đường kính khoảng hai mươi số dày đặc với neutron, gọi neutron II CẤU TRÚC CỦA SAO NEUTRON Mặt cắt ngang neutron Mật độ độ bão hòa mật độ chất hạt nhân, nơi nucleon bắt đầu chạm tới Cấu trúc neutron chủ yếu xác định mơ hình tốn học, tìm số chi tiết thông qua nghiên cứu dao động neutron Ngoài cấu trúc bên neutron dự đốn cách phân tích quang phổ dao động Cấu trúc Neutron tạm chia thành phần:  Lớp khí quyển: Lớp khí ngơi neutron có độ dày khơng đều, chỗ dày đo khoảng vài micromet, lớp khí người ta xác định vài nguyên tố Hidro, Heli, …  Lớp bề mặt ngoài: Lớp bề mặt lớp vỏ cứng, có giả thuyết cho độ cứng gấp 10 tỷ lần so với thép thông thường Lớp vỏ cứng mịn, đa số ion eletron tập trung lớp Người ta tính tốn lớp có độ dày từ 0.3-0.5 km  Lớp bề mặt trong: Càng sâu vào trong, có nguyên tử với số lượng neutron ngày tăng Các nguyên tử Trái Đất nhanh chóng phân rã giữ ổn định áp suất cực lớn Lớp có độ dày khoảng 1-2 km Tiếp tục tiến sâu vào lõi, nồng độ neutron tự tăng nhanh Trong khu vực này, có hạt nhân, electron tự neutron tự Do trọng lực áp lực mạnh nên hạt nhân ngày trở nên nhỏ (trọng lực áp lực mạnh) đến lõi Tính tới tại, vật chất lõi đoán dự vài nghiên cứu:  Lớp lõi ngoài: lớp lõi dày khoảng 9km có mơ hình mơ tả lõi hỗn hợp neutron siêu lỏng (chủ yếu neutron, với số proton electron) Chất siêu lỏng chất siêu dẫn (không bị lượng) cho nguyên nhân gây từ trường cực mạnh Neutron  Lớp lõi trong: Đây lớp mà nhà khoa học chưa tìm thơng tin Giả thuyết đưa ra, tồn hạt lượng cao pion kaon, ngồi cịn hạt quark nặng quarkup quarkdown III ĐẶC ĐIỂM Khối lượng nhiệt độ Một ngơi neutron có khối lượng 1,1 - 2,1 lần khối lượng mặt trời (M☉) (giới hạn Tolman–Oppenheimer–Volkoff) ước tính gần đặt giới hạn mức 2,16 M☉ Khối lượng tối đa neutron quan sát khoảng 2,14 M☉ Tuy nhiên nhìn chung, ngơi đặc có khối lượng 1,39 M☉ (giới hạn Chandrasekhar) lùn trắng, có khối lượng từ 1,4 M☉ đến 2,16 M☉ neutron Một đặc theo giả thuyết với khối lượng từ đến lần M☉được gọi quark electroquark, thực tế chúng không tồn Với khối lượng 10 lần M ☉, tàn dư vụ nổ siêu tân tinh vượt ngưỡng áp suất suy thoái vật chất neutron suy sụp hấp dẫn để tạo thành lỗ đen, khối lượng nhỏ lỗ đen nghiên cứu khoảng lần M☉ Nhiệt độ bên neutron hình thành từ khoảng 10 11 đến 1012 độ Kelvin Tuy nhiên, số lượng neutrino khổng lồ mà phát mang theo nhiều lượng đến mức nhiệt độ neutron bị lập vịng vài năm giảm xuống khoảng 10 Kelvin Ở nhiệt độ thấp này, hầu hết ánh sáng neutron tạo nằm vùng tia X Mật độ áp suất Sao neutron có mật độ tổng thể từ 3,7×10 17−5,9×1017 kg/m3, gấp (2,6×1014 - 4.1×1014) lần tỷ trọng Mặt Trời, tương đương với mật độ gần hạt nhân nguyên tử (3×1017kg/m3) Mật độ neutron thay đổi từ khoảng 1×10 kg/m3 lớp vỏ tăng dần theo độ sâu đến khoảng 6×1017 8×1017 kg / m3 (đặc hạt nhân nguyên tử) sâu bên Một neutron dày đặc muỗng cà phê (5 ml) vật chất có khối lượng 5,5×10 12 kg, gấp khoảng 900 lần khối lượng Kim tự tháp Giza Trong trường hấp dẫn khổng lồ ngơi neutron, muỗng cà phê vật chất nặng 1,1×10 25 N, gấp 15 lần trọng lượng Mặt trăng đặt bề mặt Trái đất Toàn khối lượng Trái đất mật độ neutron vừa với cầu có đường kính 305m (kích thước Đài thiên văn Arecibo) Áp suất tăng từ 3,2×1031 lên 1,6×1034 Pa từ lớp vỏ bên đến trung tâm Phương trình trạng thái vật chất với mật độ cao xác khó khăn mặt lý thuyết liên quan đến lượng tử, siêu dẫn siêu lỏng vật chất trạng thái Vấn đề trở nên trầm trọng khó khăn thực nghiệm quan sát đặc điểm đối tượng cách xa hàng trăm parsecs, xa Một ngơi neutron có số tính chất hạt nhân nguyên tử, bao gồm mật độ (trong trật tự cường độ) cấu tạo từ hạt nhân Trong văn khoa học phổ biến, neutron mô tả "hạt nhân khổng lồ" Tuy nhiên, khía cạnh khác, neutron hạt nhân nguyên tử hoàn toàn khác Hạt nhân giữ với tương tác mạnh mẽ với mật độ đồng nhất, neutron giữ với trọng lực dự đoán bao gồm nhiều lớp với thành phần mật độ khác Từ trường Cường độ từ trường bề mặt neutron nằm khoảng từ 10 đến 1011 Tesla (T) Đây trật tự cường độ cao đối tượng khác: để so sánh, trường liên tục 16T đạt phịng thí nghiệm đủ để đánh bay ếch sống từ tính Sự biến đổi cường độ từ trường yếu tố cho phép phân biệt loại neutron khác quang phổ chúng giải thích tính tuần hồn xung Các neutron gọi nam châm có từ trường mạnh nhất, khoảng 108 đến 1011 T trở thành giả thuyết chấp nhận rộng rãi dành Lặp gamma mềm (SGRs) xung tia X dị thường (AXP) Mật độ lượng từ trường trường 108 T cực lớn, vượt mật độ lượng khối lượng vật chất thơng thường Các trường có cường độ phân cực chân khơng đến mức mà chân khơng trở thành lưỡng chiết Photon hợp tách thành hai cặp hạt, phản hạt ảo tạo Trường thay đổi mức lượng điện tử nguyên tử bị ép thành hình trụ mỏng Khơng giống pulsar thơng thường, spin-down từ tính cung cấp lượng trực tiếp từ trường từ trường đủ mạnh để làm căng lớp vỏ đến điểm gãy Sự gãy lớp vỏ gây vụ nổ sao, vụ nổ tia gamma cực mạnh mili giây Quả cầu lửa bị giữ lại từ trường xuất tầm nhìn ngơi quay, phát xạ gamma mềm định kỳ (SGR) khoảng thời gian giây giây tồn vài phút Nguồn gốc từ trường mạnh chưa rõ ràng Một giả thuyết cho "đóng băng từ thơng" bảo tồn từ thơng ban đầu q trình hình thành neutron Nếu vật thể có từ thơng định diện tích bề mặt diện tích co lại thành diện tích nhỏ hơn, từ thơng bảo tồn, từ trường tăng tương ứng Tương tự vậy, sụp đổ bắt đầu với diện tích bề mặt lớn nhiều so với neutron thu được, bảo toàn từ thông dẫn đến từ trường mạnh nhiều Tuy nhiên, lời giải thích đơn giản khơng giải thích đầy đủ cường độ từ trường neutron IV NĂNG LƯỢNG Tốc độ làm mát ngơi neutron cho nhìn sâu sắc trực tiếp vào lớp bên chúng Một neutron chòm Cassiopeia, gần quan sát thấy nhiệt độ giảm theo thời gian, điều chưa có Trong 105 năm, hầu hết làm mát ngơi neutron kiểm sốt phát xạ neutrino, điều chưa quan sát thấy trẻ Dấu hiệu nhiệt neutron chịu chi phối độ sáng neutrino, cấu trúc bên khả nhiệt Cấu trúc bên neutron chưa biết, điều gây khó khăn lớn việc làm sáng tỏ chế tạo lượng lý thuyết đề xuất Mặc dù chưa biết lõi bên neutron cấu tạo từ đâu, lõi nằm khơng xa bên bề mặt Đây nơi tồn electron, neutron proton siêu nạp Khi lực hấp dẫn tiếp tục gia tăng vào bên trong, áp suất thối hóa neutron, dạng vật chất thối hóa, trở thành yếu tố cao hơn, lực tác động chống lại suy sụp lực hấp dẫn Quan sát tương tác phận cho biết chế tạo lượng Lõi bao gồm neutron, electron muon, electron dẫn nhiệt lên bề mặt ngơi sao, sau neutrino tỏa Trong lõi, proton chuyển đổi thành neutron thông qua phân rã �+ positron phát lượng lớn neutrino dạng sản phẩm phụ Sự phát xạ positron xảy bên hạt nhân nguyên tử quark-up thành quark-down, giải phóng positron neutrino electron Nguồn lượng neutron phân rã � nhanh, q trình khía cạnh hệ neutron neutrino neutron Thay hợp nguyên tố xuống bảng tuần hoàn, trở nên nặng sắt trở thành lõi nó, xạ ngơi neutron phải có nguồn khác Vì điều khiển lực yếu, phát xạ positron thường có xác suất xảy thấp, điều giảm thiểu lượng proton V SỰ QUAY Spin down Theo thời gian, neutron chậm lại từ trường quay chúng có hiệu lực tỏa lượng liên quan đến vòng quay neutron cũ vài giây cho cách mạng Điều gọi spin down Tốc độ mà ngơi neutron làm chậm quay thường không đổi nhỏ Thời gian định kỳ (P) thời gian quay, thời gian cho vòng quay neutron Tốc độ quay xuống, tốc độ quay chậm ký hiệu Ṗ ( P dot), đạo hàm P liên quan đến thời gian Nó định nghĩa tăng thời gian định kỳ đơn vị thời gian, đại lượng khơng thứ ngun tính theo đơn vị � � −1 (giây giây) Tốc độ quay xuống Ṗ neutron thường nằm phạm vi từ 10−22 đến 10−9 � �−1 , với neutron quan sát thời gian ngắn (hoặc quay nhanh hơn) thường có Ṗ nhỏ Khi ngơi neutron già đi, vịng quay chậm lại (khi P tăng) Cuối cùng, tốc độ quay trở nên chậm để cung cấp lượng cho chế phát xạ vô tuyến ngơi neutron khơng cịn phát P Ṗ cho phép ước tính từ trường tối thiểu neutron P Ṗ sử dụng để tính tuổi đặc trưng Pulsar, đưa ước tính lớn chút so với tuổi thật áp dụng cho Pulsar trẻ Ngồi ra, P Ṗ kết hợp với moment quán tính neutron để ước tính đại lượng gọi độ chói spin down, ký hiệu Ė (E -dot) Nó khơng phải độ chói đo được, mà tốc độ tổn thất tính tốn lượng quay biểu dạng xạ Đối với neutron nơi độ sáng giảm dần so sánh với độ chói thực tế, neutron gọi "cung cấp lượng quay" Độ chói quan sát Pulsar cua so sánh với độ chói kéo xuống, hỗ trợ cho mơ hình động quay có lượng xạ từ Với neutron nam châm, độ chói thực tế vượt độ chói giảm xuống khoảng trăm, người ta cho độ chói cung cấp tiêu tán từ tính, thay cung cấp lượng quay P Ṗ vẽ cho neutron để tạo sơ đồ P - Ṗ Nó mã hóa lượng thơng tin khổng lồ dân số xung tính chất nó, ví biểu đồ Hertzsprung mẹo Russell tầm quan trọng neutron Spin up Tốc độ quay neutron tăng lên, q trình gọi spin up Đôi neutron hấp thụ vật chất quay quanh từ đồng hành, tăng tốc độ xoay định hình lại neutron thành exlipxoid Điều làm tăng tỷ lệ quay neutron trăm lần giây trường hợp pulsars mili giây Sao neutron quay nhanh biết đến PSR J17482446ad, quay 716 vòng giây Sao neutron phát Jason WT Hessels thuộc Đại học McGill vào ngày 10 tháng 11 năm 2004 xác nhận vào ngày tháng năm 2005 Vị trí PSR J1748-2446ad bầu trời đêm Các pulsar nằm trung tâm hình vng màu vàng Nó q mờ hình ảnh để nhìn thấy VI PHÂN LOẠI SAO NEUTRON Pulsar (sao xung) Các neutron phát xung xạ điện từ tăng tốc hạt gần cực từ trường, cực không trùng với trục quay Thông qua cấu mà cịn chưa hiểu rõ, hạt tạo chùm xạ radio đồng pha Người quan sát từ bên ngồi thấy chùm tia lướt qua xung cực từ trường quét qua đường quan sát Các xung có chu kỳ với chu kỳ quay Các neutron phát xung gọi Pulsar Sao Neutron xoay nhanh đến mức lực li tâm làm biến dạng xạ thành hình nón đơi, với đỉnh chung tâm Bức xạ hình nón xoay trịn qt qua phần không gian vũ trụ, pulsar thấy được, kể gần Trái Đất 2 Sao từ Sao neutron có từ trường cực mạnh gọi từ Chúng có từ trường khoảng 100 GT, đủ mạnh để quét liệu thẻ tín dụng từ khoảng cách nửa khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt trăng Để so sánh, từ trường tự nhiên Trái Đất khoảng 60 �� Một nam châm đất sử dụng neodym có từ trường khoảng T, đa số thiết bị lưu trữ liệu dùng vật liệu có từ tính bị xóa với khoảng vài mT Sao từ dạng vô neutron, Ước chừng 10 vụ nổ siêu có từ khơng nhiều neutron hay xung thường thấy VII SỐ LƯỢNG VÀ KHOẢNG CÁCH CỦA CÁC SAO Hiện tại, có khoảng 2.000 ngơi neutron biết đến Dải Ngân hà Đám mây Magellanic, phần lớn số chúng phát xung radio Các neutron chủ yếu tập trung dọc theo đĩa Dải Ngân hà lan truyền vuông góc với đĩa lớn q trình nổ siêu tân tinh truyền tốc độ tịnh tiến cao (400 km / giây) cho neutron hình thành Hình dải ngân hà hình đám mây Magellanic Các neutron phát cơng nghệ đại giai đoạn sớm đời (hầu triệu năm) bị áp đảo nhiều neutron cũ mà phát thơng qua xạ đen hiệu ứng hấp dẫn chúng khác.Một số neutron biết đến gần RX J1856.5−3754, cách Trái đất khoảng 400 năm ánh sáng PSR J0108−1431 vào khoảng 424 năm ánh sáng RX J1856.53754 thành viên nhóm neutron thân thiết có tên The Magnificent Seven Một ngơi neutron khác gần phát xuyên qua chòm Ursa Minor nhà khám phá người Canada người Mỹ đặt biệt danh Calvera, dựa nhân vật phản diện phim năm 1960 The Magnificent Seven Đây vật thể di chuyển nhanh phát Catalog ROSAT/Bright Source Sao RX J1856.5−3754 Sao Calvera VIII Một số khám phá neutron thời kỳ Năm 2003, Marta Burgay đồng nghiệp phát hệ neutron kép hai thành phần tìm giống Pulsar, PSR J0737−3039 Việc phát hệ thống cho phép tổng cộng thử nghiệm khác thuyết tương đối rộng số có độ xác chưa có Vào năm 2010, Paul Demorest đồng nghiệp đo khối lượng pulsar PSR J1614−2230 1,97 ± 0,04 M☉ nhờ vào độ trễ Shapiro Con số cao đáng kể so với khối lượng neutron đo trước (1,67 M☉, theo quan sát PSR J1903 + 0327) đặt ràng buộc mạnh mẽ lên thành phần bên neutron Năm 2013, John Antoniadis đồng nghiệp đo khối lượng PSR J0348 + 0432 2,01 ± 0,04 M☉ việc sử dụng quang phổ lùn trắng Điều xác nhận tồn lớn phương pháp khác Hơn điều cho phép thử nghiệm thuyết tương đối rộng lần sử dụng neutron lớn Vào tháng năm 2017, LIGO Virgo phát sóng hấp dẫn tạo cách va chạm với neutron Vào tháng 10 năm 2018, nhà thiên văn học báo cáo GRB 150101B, kiện nổ tia gamma phát vào năm 2015 Có thể liên quan trực tiếp đến GW170817 hợp hai neutron Sự tương đồng hai kiện, phát xạ tia gamma, phát xạ quang tia X, chất thiên hà sở thật gây ấn tượng Theo nhà nghiên cứu cho thấy hai kiện riêng biệt kết hợp hai kilonova, điều phổ biến vũ trụ so với hiểu trước Danh mục tài liệu tham khảo: https://svs.gsfc.nasa.gov/20267?fbclid=IwAR1gD5A5X6aUPHbmffS9mISA52ktHGA4ivt ftz3qVcz5-oZBImGezGMmrfE https://www.ego-gw.it/public/vesf/lectures2013/Jones_structure.pdf?fbclid=IwAR2l30bnHT94gbrQHimFoJDrVdewG7tJ9Cu2O3jFtUzTk9ZHs0T-pRiSCY https://khoahoc.tv/sao-neutron-la-gi- 86935? fbclid=IwAR1tOXNqgnE1RXLrMs6XqsjWULuSrKqhYs_vSJ5X661yaemceD7uNhoKzs https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star?fbclid=IwAR3VDf28Ipxx_8EzCo_4UUjvXo R2oZIK1JEHYM-_Hbmqnvbjv4bnEINSGhY ... 10 VI PHÂN LOẠI SAO NEUTRON 11 Pulsar (sao xung) 11 Sao từ 12 VII SỐ LƯỢNG VÀ KHOẢNG CÁCH CỦA CÁC SAO 12 MỘT SỐ KHÁM PHÁ VỀ SAO NEUTRON TRONG THỜI KỲ... hai mươi số dày đặc với neutron, gọi neutron II CẤU TRÚC CỦA SAO NEUTRON Mặt cắt ngang neutron Mật độ độ bão hòa mật độ chất hạt nhân, nơi nucleon bắt đầu chạm tới Cấu trúc neutron chủ yếu xác định... Đơi neutron hấp thụ vật chất quay quanh từ đồng hành, tăng tốc độ xoay định hình lại neutron thành exlipxoid Điều làm tăng tỷ lệ quay neutron trăm lần giây trường hợp pulsars mili giây Sao neutron