TIỂU LUẬN SAO NEUTRON và PULSAR

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ  TIỂU LUẬN SAO NEUTRON VÀ PULSAR Học phần: Thiên văn học đại cương GVHD: Ths Nguyễn Thành Đạt Sinh viên thực hiện: Trần Thành 4501102073 Ngô Thị Kim Phương 4501102063 Nguyễn Văn Thành Nam 4501102053 Lê Thị Mai 4501102049 Nguyễn Quốc Huy 4501102035 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 12 NĂM 2021 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 NGUỒN GỐC VÀ SỰ TIẾN HÓA CỦA SAO NEUTRON 1.1 Nguồn gốc hình thành Neutron 1.1.1 Từ vụ nổ siêu tân tinh .2 1.1.2 Từ lùn trắng 1.2 Tiến hóa Neutron .3 LỊCH SỬ KHÁM PHÁ 2.1 Các tiên đoán neutron 2.2 Pulsar chứng tồn Neutron 2.3 Các nghiên cứu bật neutron CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA SAO NEUTRON 3.1 Cấu trúc 3.2 Đặc điểm .9 3.2.1 Khối lượng kích thước 3.2.2 Nhiệt độ 3.2.3 Lực hấp dẫn 3.2.4 Sự quay 10 HOẠT ĐỘNG VÀ TỪ TRƯỜNG CỦA SAO NEUTRON 10 4.1 Hoạt động từ trường Pulsar .10 4.2 Hoạt động từ trường từ: .11 MỘT SỐ SAO NEUTRON (PULSAR) QUAN TRỌNG TRONG LỊCH SỬ 12 SỨ MỆNH NICER 14 6.1 Giới thiệu sơ lược NICER 14 6.2 Kết nghiên cứu NICER 15 LỜI KẾT .16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 LỜI MỞ ĐẦU Chắc hẳn lần thấy sáng lấp lánh bầu trời Có bạn có chút thắc mắc chúng hay chưa? Liệu chúng có sáng bầu trời biến vào ngày đó? Và biến chúng đâu, bay qua hành tinh khác, rơi xuống trái đất, hay chúng chuyển sang dạng khác… Do đó, nhóm chúng tơi định lựa chọn thực đề tài “Sao neutron pulsar” tìm hiểu dạng tiến hóa cuối đời Trong viết này, sử dụng kiến thức vật lí để trình bày tổng hợp số đặc điểm ý nghĩa neutron, giúp hiểu biết thêm cập nhật thông tin vấn đề Đồng thời, viết nguồn tài liệu cho sinh viên tham khảo trình học tập học phần thiên văn Trong phạm vi nghiên cứu, viết trình bày nội dung trọng tâm sau: Một là, nguồn gốc tiến hóa neutron Hai là, lịch sử nghiên cứu neutron Ba là, cấu trúc đặc điểm Bốn là, hoạt động từ trường neutron 1 NGUỒN GỐC VÀ SỰ TIẾN HÓA CỦA SAO NEUTRON 1.1 Nguồn gốc hình thành Neutron 1.1.1 Từ vụ nổ siêu tân tinh Những tồn dựa vào cân yếu ớt, khối lượng khổng lồ hàng tỷ đến hàng nghìn tỷ plasma bị kéo vào tâm lực hấp dẫn ép vật chất lại với nhau, lõi liên tục xảy phản ứng nhiệt hạch giải phóng lượng chống lại sức ép Cứ sau khoảng kỷ, ngơi khổng lồ thiên hà cạn kiệt nhiên liệu Điều xảy sau hàng triệu năm nhiệt độ áp suất thơng qua chu trình Critchfield hay Bethe, … biến nhiên liệu Hydro thành Heli Đến ngày Hydro cạn kiệt, hợp nguyên tố thành nguyên tố nặng Heli hợp thành Cacbon, Cacbon tiếp tục hợp thành Neon, Neon thành Oxi, Oxi thành Silic cuối hợp thành sắt Khi lõi chứa sắt, nguyên tố có hạt nhân bền nhất, nghĩa chu trình phản ứng nhiệt hạch phải hoàn toàn chấm dứt Hay ta hiểu ngơi khơng cịn tạo đủ lượng để trì cấu trúc mình, tự sụp đổ lực hấp dẫn Nhưng ngơi có khối lượng lớn khoảng lần Mặt trời trở kết thúc vòng đời chúng theo cách ngoạn mục vụ nổ siêu tân tinh Đầu tiên, bên phồng lên thành siêu cầu khổng lồ màu đỏ Ở bên trong, lõi chịu tác dụng trọng lực co dần lại, co lại lõi nóng dày đặc Nhiệt độ lõi tăng lên đến 100 tỷ độ nguyên tử sắt bị nghiền nát với Lõi nén đến cực hạn bật ngược Năng lượng cú giật truyền đến lớp vỏ sao, phát nổ tạo sóng xung kích Ngơi bắn hầu hết vật chất vào khơng gian, gieo nguyên tố nặng vào thiên hà, để lại tàn tích siêu tân tinh Hình 1: Vụ nổ siêu tân tinh hình thành tinh vân Con Cua (Nguồn: NASA Goddard) Nhưng cịn lại ngơi chết để lại chí cịn đáng kinh ngạc hơn: khối cầu vật chất nặng từ 1,4 đến khoảng 2-3 lần khối lượng Mặt trời (theo giới hạn Chandrasekhar) bị ép lại đặc đến mức mà electron bị đẩy vào sâu hạt nhân, hợp với proton thành neutron: 1 p +−10e ⟶ 10n + ν Và neutron lại tiếp tục bị nén thành chất lỏng neutron siêu chảy (một trạng thái vật lí đặc biệt) Cái chết ngơi sinh neutron: vật thể đặc biết đến vũ trụ, loạt tính chất vật lí vật chất siêu đặc Hình 2: Ảnh ghép tia X cho thấy vị trí ngơi neutron tinh vân Cassiopeia A (ảnh chính) Khung ảnh nhỏ minh họa lớp neutron (Nguồn: NASA/CXC/UNAM/Ioffe/D Page, P Shternin) 1.1.2 Từ lùn trắng Các nhẹ trung bình hầu hết kết thúc đời dạng lùn trắng Khối lượng lớn kích thước lùn trắng nhỏ có giới hạn Chandrasekhar (khoảng 1,4 lần M ❑ ) mà vượt qua đó, áp suất suy thối electron khơng thể cân với lực hấp dẫn Có giả thuyết cho lùn trắng tiếp tục co nhỏ lại trở thành neutron trường hợp đặc biệt 1.2 Tiến hóa Neutron Vịng đời ngơi nặng đám mây bụi khí hấp dẫn hình thành dãy Ngơi dần tiến hóa thành siêu kềnh Sự cân lực hấp dẫn áp suất bên từ phản ứng nhiệt hạch xảy khiến co lại phát vụ nổ siêu tân tinh Sao neutron lang thang vũ trụ kết vụ nổ siêu loại II, lớn giới hạn Chandrasekhar nhiều lần co lại đến mức tới hạn thành lỗ đen Hình 3: Sơ đồ tiến hóa nặng (Nguồn: NASA/Supernovae) Bên cạnh, quan sát hệ đôi nơi neutron tương tác đồng hành quỹ đạo với khác Sao neutron hút vật chất từ người bạn đồng hành khiến ngơi nhẹ hơn, trở thành đĩa khí nóng ngày mở rộng bao quanh neutron Điều đồng nghĩa neutron ngày nặng hơn, vượt qua giới hạn Oppenheimer-Volkoff (TOV) khoảng lần khối lượng mặt trời, lực hấp dẫn tiếp tục thắng qua áp lực suy thối neutron Khi neutron dần co lại sụp đổ thành lỗ đen Hình 4: Mơ neutron hút vật chất từ đồng hành (Nguồn: NASA Goddard) Trong vũ trụ rộng lớn mà nhiều tồn dạng hệ đơi, phần nhỏ hình thành hệ neutron đơi, nơi hai neutron quay quanh nhanh ngày nhanh chúng sát lại gần Ngay trước va chạm, hai neutron chuyển động xoắn ốc kéo dài ép chặt không thời gian tạo sóng hấp dẫn liên tục truyền đến Trái đất Và chúng hợp thành neutron hay chí hố đen vụ nổ kilonova đầy xạ gamma Thuyết tương đối rộng Einstein dự đốn sóng hấp dẫn 100 năm trước, xác thực đến kiện năm 2017 nổ ra, máy quan sát sóng hấp dẫn LIGO VIRGO nhận tín hiệu GW170817 va chạm hai neutron Các neutron chưa tiết lộ hết bí ẩn chúng LIGO VIRGO nâng cấp để phát nhiều va chạm Điều giúp hiểu cách cầu nam châm xoay tít, phát xạ đặc giúp hiểu vũ trụ Hình 5: Mơ hệ neutron đơi va chạm phát sóng hấp dẫn (Nguồn: European Southern Observatory) LỊCH SỬ KHÁM PHÁ 2.1 Các tiên đoán neutron Vào năm 1911, Ernest Rutherford giải thích thí nghiệm “bắn phá vàng” xây dựng nên mẫu nguyên tử Rutherford với giả thuyết khối lượng nguyên tử hầu hết tập trung vào hạt nhân nhỏ mang điện dương Đến năm 1919, Rutherford thực phản ứng hạt nhân nhân tạo tiếp tục tìm hạt hạ nguyên tử mang điện dương Proton Cũng từ đây, ơng đưa dự đốn hạt hạ nguyên tử khác neutron không mang điện proton cấu tạo thành hạt nhân Tuy nhiên, dự đốn ơng bị bác bỏ dội nhà khoa học khác với quan niệm phải có electron hạt nhân giải thích phân rã β−¿¿ Rutherford không tán thành, ông tin việc giam giữ electron proton bên hạt nhân nhỏ xíu lực hút điện lớn khiến chúng hợp thành hạt trung hòa Năm 1932, James Chadwick, người học trò cộng Rutherford, tiếp tục thí nghiệm chùm hạt alpha bắn phá kim loại berylium khám phá hạt neutron hạt trung hịa điện có khối lượng proton chút Chính nhờ khám phá này, ơng trao giải Nobel Vật lí năm 1935 Trong thiên văn học, năm trước J.Chadwick công bố hạt neutron báo tạp chí Nature, nghiên cứu sinh 23 tuổi Lev Landau viết ngơi có mật độ vật chất cao Landau tính tốn khối lượng tối đa lùn trắng (1932) muộn Chandrasekhar (1931) độc lập với ông Landau suy đốn tồn ngơi nhỏ gọn lùn trắng chứa vật chất dày đặc mật độ vật chất hạt nhân Người ta thường liên hệ neutron với hạt neutron – thành phần chúng Khám phá Chadwicd đặt tảng cho hai nhà khoa học Walter Baade Fritz Zwicky suy luận lý thuyết neutron lúc họ tìm hiểu nguồn gốc siêu tân tinh, chết đột ngột sáng thiên hà vài ngày hay vài tuần ngắn ngủi Mà đến năm 1934, họ cho kết cuối siêu tân tính ngơi có khối lượng lớn chủ yếu neutron mật độ cao 2.2 Pulsar chứng tồn Neutron Năm 1939, R.Oppenheimer G.Volkoff suy phương trình mơ tả cấu trúc tĩnh đối xứng cầu thuyết tương đối rộng Bằng việc giả định neutron khối khí neutron lí tưởng mật độ cao dựa cơng trình nhà vật lí người Mỹ Richard Tolman, hai nhà vật lí tìm giới hạn Oppenheimer-Volkoff mang tên họ, giới hạn khối lượng mà neutron khơng vượt qua khơng muốn sụp đổ trở thành hố đen Tại thời điểm đó, ý tưởng cho neutron lõi kềnh, nơi tập trung nguồn lượng trì hoạt động Tuy nhiên, phản ứng tổng hợp nhiệt hạch tìm hiểu chi tiết ý tưởng bị gạt bỏ Kết neutron dần bị cộng đồng thiên văn quên lãng suốt 30 năm Lý thường đưa để bác bỏ tồn neutron việc thể tích chúng nhỏ, xạ nhiệt dư chúng mờ để quan sát kính thiên văn quang học so sánh với thông thường Mãi đến năm 1964 – 1966, nhà thiên văn xem lại tài liệu ngơi neutron cịn bàn giấy, đưa dự đoán việc neutron quay nhanh, thực mô siêu tân tinh sụp đổ lõi để lại neutron,… chuẩn bị cho năm 1967, lúc Jocelyn Bell Antony Hewish phát xung vô tuyến từ đặt tên PSR B1919 + 211 Thuật ngữ 'pulsar' (sao xung) xuất lần đầu tờ Daily Telegraph Những năm sau đó, Gold đưa lập luận pulsar neutron quay với từ trường bề mặt mạnh đến bậc 1012 G Mặc dù giả thuyết không chấp nhận ngay, có vật thể giải thích nhiều đặc điểm quan sát pulsar việc chu kỳ xung có ổn định đáng kể Gold dự đoán chu kỳ xung tăng thêm chút lượng quay bị hao hụt xạ Ngay sau đó, dự đốn ơng xác nhận phát chậm lại pulsar Con Cua Chính thành cơng lập luận thất bại mơ hình khác mà pulsar xem neutron quay có độ từ hóa cao, minh chứng cho tồn neutron khơng cịn lý thuyết 2.3 Các nghiên cứu bật neutron Kể từ năm 1968, có nhiều cơng trình lý thuyết để tìm hiểu đặc tính neutron Và neutron nhiều nhà thiên văn học ý vệ tinh UHURU phát xung tia X (“Xray pulsar”) vào năm 1971 Những nguồn cho đến từ neutron hệ đôi tích tụ vật chất từ ngơi đồng hành Bằng chứng hình thành neutron vụ nổ siêu cung cấp xung Con Cua xung Vela vào cuối mùa thu năm 1968, hai pulsar nằm tàn tích siêu tân tinh, điều xác nhận dự đoán Baade Zwicky Năm 1974, bước tiến xa lịch sử quan sát neutron thực Hulse Taylor phát hệ pulsar đôi PSR J1913 + 16, người sau biết đến Hulse-Taylor pulsar Hệ thống đơi hình thành hai neutron quay xung quanh khối tâm chung Trong năm 1980, 1990 2000, nhiều vệ tinh trang bị kính thiên văn tia X tia gamma dành cho việc quan sát neutron phóng lên vũ trụ nhiều vệ tinh khác phóng tương lai Năm 2010, Paul Demorest đồng nghiệp đo khối lượng pulsar millisecond PSR J1614-2230 1,97 ± 0,04 khối lượng Mặt trời Năm 2017, máy thu sóng hấp dẫn LIGO VIRGO nhận tín hiệu GW170817 va chạm hai neutron kiện đáng ý lịch sử nghiên cứu neutron CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA SAO NEUTRON 3.1 Cấu trúc Ngôi neutron xây dựng từ trước lý thuyết, sau kiểm chứng tồn Vậy nên cấu trúc neutron xây dựng mơ hình tốn học khó quan sát trực tiếp Mơ hình neutron chia làm bốn phần: khí quyển, lớp phủ bề mặt, lớp vỏ lõi Hình 6: Mơ cấu trúc neutron (Nguồn: Page & Reddy/Magnetic fields in neutron stars) Khí neutron có độ dày khơng mỏng, dự đoán từ vài micromet đến centimet Do nhiệt độ bề mặt cực cao lên đến vài triệu Kelvin, nguyên tử phần lớn Hydro Heli bị ion hóa thành trạng thái plasma, hạt nhân electron “bốc hơi” thành bầu khí bao quanh neutron Lớp phủ bề mặt nhẵn bóng bầu khí quyển, lực hấp dẫn cực lớn làm phẳng bề mặt ép hạt nhân lại gần nhau, đến mức mà lực điện Coulomb đẩy hạt khiến chúng xếp thành mạng tinh thể ổn định Lớp phủ dày khoảng 100m tập trung nhiều electron ion Phần lớn vỏ neutron chất rắn đàn hồi, bao gồm mạng tinh thể Coulomb hạt nhân, electron suy biến chuyển động hỗn loạn chất khí tồn neutron tự Nhưng phía lõi, trình hạt nhân bắt giữ electron xảy khiến số proton giảm lại neutron ngày nhiều Thêm vài trăm mét nữa, tỉ số neutron proton vượt giới hạn gọi “đường nhỏ giọt neutron”, hạt nhân trở nên bất ổn hình thành hạt nhân cách phân rã neutron Dần dần, khoảng không hạt nhân bị lấp đầy “khí neutron” mật độ vật chất lúc gấp nghìn tỷ lần Trái đất (ρ 1012 g/cm3) Hình 7: Mơ cấu tạo lớp vỏ neutron (Nguồn: ScienceClic) Đến gần lớp tiếp giáp vỏ - lõi ngồi, thứ trở nên kì lạ hơn, “khí neutron” bắt đầu q trình chuyển pha Đồng thời áp lực cực mạnh ép hạt nhân hợp với thành cụm, cụm hợp với thành ống ống lại bị ép chặt thành lớp xếp chồng lên mà nhà khoa học gọi “nuclear pasta”, khởi đầu siêu lỏng neutron Như vậy, lớp vỏ dự đoán dày xấp xỉ 1km chiếm 1% tổng khối lượng có mật độ vật chất ngày đậm đặc theo chiều sâu Lõi neutron với bán kính 10km chiếm gần 99% tổng khối lượng, chia thành lõi lõi Với mật độ khối lượng khoảng tỷ tấn/cm3, người ta cho lõi neutron làm từ lớp chất neutron siêu lỏng siêu dẫn chứa đặc tính ảnh hưởng đến nhiệt độ từ trường Dựa vào lý thuyết, nhà khoa học đưa hai giả thuyết mô tả cấu trúc lõi neutron Một giả thuyết cho rằng, lõi cấu tạo từ hạt có khối lượng lớn muons hyperons Giả thuyết lại cho proton neutron hòa tan thành biển quark (plasma quark – gulon) Nhưng cấu trúc lõi neutron cịn bí ẩn với cộng đồng khoa học 3.2 Đặc điểm 3.2.1 Khối lượng kích thước Khối lượng neutron phải nằm hai giới hạn, giới hạn Chandrasekhar 1,4 M giới hạn Oppenheimer-Volkoff từ 2-3 M  Tuy nhiên phép đo từ kiện va chạm năm 2017 cho ta rút ngắn giới hạn giá trị xác 2,17 M Ngược lại với khối lượng lớn, neutron có kích thước nhỏ Mặt trời cầu có đường kính triệu kilomet ngơi neutron có đường kính vỏn vẹn 20-30 km lại nặng gấp đơi Mặt trời Hình 8: Minh họa kích thước neutron so với đảo Manhattan (nguồn: NASA's Goddard Space Flight Center) Thật vậy, phát xung J0740+6620 vào năm 2019 minh chứng cho khối lượng kích thước nói Ngôi neutron nặng biết đến cách ta 4600 năm ánh sáng với khối lượng 2,14 M, chạm sát giới hạn lại cô đặc cầu đường kính 25 km 3.2.2 Nhiệt độ Sự bùng nổ siêu tân tinh để lại ngơi neutron có nhiệt độ bề mặt lên đến hàng triệu độ C với trẻ, Mặt trời khoảng 6000oC Đồng thời, nhiệt độ bề mặt dự đoán 1-10% nhiệt độ lõi neutron Nhưng cấu tạo lõi neutron cịn bí ẩn nên đặc tính siêu dẫn lớp chất lỏng neutron từ trường làm thay đổi đáng kể kết dự đoán nhiệt độ lõi 3.2.3 Lực hấp dẫn Sao neutron có lực hấp dẫn mạnh lỗ đen chút, đặc neutron trở thành lỗ đen Theo ước tính, lực hấp dẫn bề mặt lớn khoảng tỷ lần so với bề mặt Trái đất vật muốn thoát khỏi neutron phải di chuyển với vận tốc nửa vận tốc ánh sáng Chính khối lượng q lớn giam thể tích nhỏ, neutron bẻ cong khơng thời gian quanh theo thuyết tương đối rộng, đồng thời bẻ cong tia sáng quanh thành tượng thấu kính hấp dẫn cho phép nhà khoa học quan sát mặt sau Hình 9: Minh họa neutron bẻ cong ánh sáng quanh (Nguồn: NASA) 3.2.4 Sự quay Tiền thân neutron siêu kềnh thường tự quay quanh trục Khi đốt cạn lượng, có đường kính hàng triệu số co dần lại, theo định luật bảo toàn moment động lượng cách vận động viên trượt băng thu tay lại để tăng tốc độ xoay, bán kính giảm khiến quay với tốc độ nhanh Khi vụ nổ siêu tân tinh bùng phát, ngơi neutron có bán kính khoảng 1015 km giữ lại phần lớn moment động lượng ngơi ban đầu Điều nghĩa tốc độ quay neutron quanh trục lớn hàng chục nghìn lần tiền thân lên tới xấp xỉ 650 vòng/giây Nhưng tự quay chậm lại sau hàng tỷ năm neutron phát xạ lượng dạng sóng điện từ sóng hấp dẫn Một minh chứng cho chậm lại tần số pulsar Con Cua giảm 0,37 nano Hz giây HOẠT ĐỘNG VÀ TỪ TRƯỜNG CỦA SAO NEUTRON 4.1 Hoạt động từ trường Pulsar Hầu hết neutron tìm thấy dạng xung (pulsar) Pulsar ngơi neutron quay có xung xạ khoảng thời gian đặn, thường từ mili giây đến giây Do cấu tạo pulsar không hồn tồn hạt neutron, có tồn proton electron Vì thế, pulsar quay chúng tạo vùng từ trường vô lớn Các electron chuyển động từ trường tác dụng lực Lorentz bị đổi hướng phát xạ Synchrotron Cho đến neutron biết đến có trường lực từ mạnh - khoảng 1012 Tesla, riêng pulsar có từ trường gấp hàng nghìn tỷ lần từ trường Trái Đất chúng vừa tạo thành 10 Hình 10: Mơ hình thể từ trường pulsar (nguồn: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab) Cũng giống Trái đất, từ trường pulsar không thiết thẳng hàng với trục quay, chùm hạt xạ phát cực từ quét xung quanh quay Khi chùm tia quét qua chúng ta, thấy xung – nói cách khác, thấy xung bật tắt chùm tia quét qua Trái đất Hình 11: Mơ hình trực quan “ngọn hải đăng” pulsar (Nguồn: Michael Kramer - Đại học Manchester, Tony Hisgett) Ta tưởng tượng pulsar giống hải đăng Vào ban đêm, hải đăng phát tia sáng quét ngang bầu trời Mặc dù tia sáng chiếu sáng liên tục, nhiên nhìn thấy chùm sáng chiếu thẳng hướng đến ta 4.2 Hoạt động từ trường từ: Sao từ ngơi neutron có từ trường cực mạnh Từ trường từ mạnh Trái đất triệu tỷ lần (1015) mạnh từ 100 đến 1000 lần so với neutron thông thường, khiến chúng trở thành vật thể có từ tính lớn biết đến Chúng hình thành giống tất neutron khác, thông qua sụp đổ lõi lớn vụ nổ siêu tân tinh Nhưng ta xác điều kiện khiến từ tạo thay xung thơng thường, để đạt từ trường mạnh vậy, số giả thuyết cho chúng phải có tốc độ quay ban đầu từ 100 đến 1000 lần giây 11 Lớp vỏ tất neutron ràng buộc với từ trường để thay đổi tác động đến từ trường Lớp vỏ neutron thường chịu áp lực lớn, với thay đổi nhỏ lớp vỏ gây nổ Nhưng lớp vỏ từ trường bị ràng buộc với nên vụ nổ gây gợn sóng từ trường Trong từ, với từ trường khổng lồ nó, chuyển động lớp vỏ làm cho ngơi neutron giải phóng lượng lớn lượng dạng xạ điện từ Một từ có tên SGR 1806-20 nổ tung phần mười giây, khoảnh khắc giải phóng lượng nhiều mặt trời phát trăm nghìn năm qua Hình 12: Mơ vụ nổ lớp vỏ từ (Nguồn: NASA's Goddard Space Flight Center/S Wiessinger) Ranh giới phân chia từ với pulsar thật mong manh, vào năm 2006 nhà thiên văn học phát từ XTE J1810-197 lại xem pulsar vơ tuyến Từ trường phát có bước sóng vùng vơ tuyến đến mm có chu kỳ xung thay đổi nhanh chóng Thơng thường pulsar vơ tuyến có chu kỳ xung ổn định xung vô tuyến từ XTE 1810-197 thay đổi nhiều ngày sang ngày khác tắt dần MỘT SỐ SAO NEUTRON (PULSAR) QUAN TRỌNG TRONG LỊCH SỬ Pulsar tìm thấy PSR B1919+21 Jocelyn Bell Atony Hewish chứng minh pulsar neutron quay Hình 13: Biểu đồ Jocelyn Bell Burnell kiểm tra vào tháng năm 1967 với liệu từ kính thiên văn vơ tuyến Acre Array, cho thấy dấu vết xung PSR B1919 + 21 12 Pulsar biết đến nhiều pulsar Con Cua tạo thành Tinh vân Con Cua, vật thể nghiên cứu kĩ lưỡng vũ trụ Xung gần toàn quang phổ điện từ, từ sóng vơ tuyến đến tia gamma Hình 14: Pulsar Con Cua với ánh sáng tia X (Nguồn: NASA/Five Famous Pulsars from the Past 50 Years) Pulsar gamma sáng nằm tinh vân Tarantula cách ta 163000 năm ánh sáng, PSR J0540-6919 chiếu tia gamma sáng gần 20 lần so với xung tìm thấy Tinh vân Con cua Hình 15: Tinh vân Tarantula (Nhện đỏ) chụp Kính viễn vọng khơng gian tia gamma Femmi (Nguồn: NASA/Five Famous Pulsars from the Past 50 Years) Các nhà thiên văn học khám phá pulsar có hai “tính cách” Vào năm 2013, pulsar đặc biệt quay nhanh gây khó khăn việc đặt tên Một đội kính thiên văn vệ tinh tia X , bao gồm đài quan sát Swift Chandra Nasa, bắt IGR J18245-2452 chuyển đổi việc tạo tia X sóng vơ tuyến Các nhà khoa học nghi ngờ chuyển đổi dịng khí lên xuống đồng hành tác động vào pulsar 13 Hình 16: Minh họa pulsar hai “tính cách” IGR J18245-2452 NASA Pulsar biến quang phát vào năm 2013, Kính viễn vọng khơng gian tia gamma Fermi NASA phát xung khác, PSR J1023 + 0038, ảnh hưởng ngơi đồng hành, xung có thay đổi Đèn hiệu vô tuyến biến pulsar sáng lên gấp lần tia gamma, thể bật cơng tắc để tăng lượng hệ thống Hình 17: Minh họa pulsar biến quang PSR J1023 + 0038 NASA SỨ MỆNH NICER 6.1 Giới thiệu sơ lược NICER NICER (Neutron Star Interior Composition Explorer - khám phá cấu tạo bên neutron) mắt vào năm 2016, kết hợp tác nhiều quan: NASA, học viện cơng nghệ Massachusetts, phịng thí nghiệm nghiên cứu hải quân nhiều trường đại học toàn nước Mỹ Canada NICER kính viễn vọng gắn ngồi có kích cỡ tủ lạnh, trang bị 56 gương phát xạ tia X phát silicon gắn vệ tinh SpaceX CRS-11 Hình 18: Ảnh chụp NICER (Nguồn: NASA) NICER công cụ giúp nhà khoa học kiểm chứng nhiều mơ hình lý thuyết cấu tạo sao neutron bằng quan sát thực nghiệm, để từ khám phá trạng thái kỳ lạ vật chất bên neutron 14 Đồng thời, NICER giúp nhà khoa học biểu diễn điều hướng tia X khơng gian cách thu thập tia X từ trường lực từ neutron, pulsar từ điểm nóng hai cực từ chúng Sứ mệnh NICER dự kiến kéo dài 18 tháng nhiệm vụ tháng dành cho nhiệm vụ phụ, phóng lên vũ trụ vào ngày tháng năm 2017 lúc 17:07 EDT tên lửa SpaceX Falcon để hoạt động trạm không gian ISS 6.2 Kết nghiên cứu NICER Kết NICER công bố neutron đăng The Astrophysical Journal Letters vào ngày tháng năm 2018 Các nhà khoa học phân tích liệu từ sứ mệnh NICER tìm thấy hai quay quanh sau 38 phút Một hai hệ đôi ấy, gọi IGR J17062-6143 (viết tắt J17062), có siêu nặng quay nhanh xác định pulsar Cặp tìm thấy có chu kỳ quỹ đạo ngắn biết đến hệ đôi pulsar Dữ liệu từ NICER cho thấy J17062 đồng hành cách khoảng 186000 dặm (300000 km), ngắn khoảng cách Trái đất Mặt trăng Dựa chu kỳ quỹ đạo phân tách cặp sao, nhà khoa học cho thứ hai lùn trắng nghèo Hydro Kết thu cho thấy xung tia X lặp lại 163 lần giây Các xung đánh dấu vị trí điểm nóng xung quanh cực từ xung, chúng cho phép nhà nghiên cứu xác định tốc độ quay Do đó, xác định pulsar J17062 quay với tốc độ khoảng 9800 vịng/phút Nghiên cứu cịn hệ đơi xoay quanh theo quỹ đạo trịn Ngơi lùn trắng "nhẹ", khoảng 1,5% khối lượng Mặt trời Trong pulsar nặng nhiều, khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt trời, có nghĩa ngơi quay quanh điểm cách pulsar khoảng 1900 dặm (3000 km) Nhà khoa học Strohmayer cho biết gần giống thể ngơi lùn trắng quay quanh pulsar đứng yên, NICER đủ nhạy để phát dao động nhỏ phát xạ tia X xung lực kéo từ lùn trắng 15 LỜI KẾT Tóm lại, neutron thiên thể nặng nhỏ để quan sát mắt thường Điều giải thích cho việc lực hấp dẫn tốc độ quay lớn Đôi neutron xem vật thể có từ tính lớn vũ trụ Tuy nhiên, cấu tạo nhiệt độ lõi bí ẩn Một ngơi neutron thực tập hợp điều kiện khắc nghiệt mà khơng phịng thí nghiệm Trái đất tái Trong viết này, nhóm chúng tơi phần giải thích số nội dung nguồn gốc, tiến hóa, lịch sử nghiên cứu, cấu trúc, đặc điểm hoạt động từ trường neutron Bên cạnh đó, nhóm mở rộng cập nhật thông tin neutron bật nghiên cứu đại neutron Nhóm chúng tơi mong tiểu luận giải đáp phần thắc mắc vấn đề liên quan đến thiên văn học nói chung neutron nói riêng Tuy nhiên kiến thức vũ trụ vô hạn, khám phá chưa dừng lại Vì vậy, chúng tơi mắc phải vài thiếu sót trình thực tiểu luận thời gian, kiến thức nguồn tài liệu tham khảo cịn hạn chế Nhóm chúng tơi mong muốn nhận đóng góp đề xuất chỉnh sửa giảng viên bạn sinh viên đề từ giúp tiểu luận hồn chỉnh Cuối cùng, nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Thành Đạt, giảng viên phụ trách học phần Thiên văn học đại cương đưa gợi ý hệ thống kiến thức vô quan trọng giúp hồn thành tiểu luận Nhóm chúng tơi xin gửi lời cảm ơn tới đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn đọc 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.G.W Cameron, “Neutron stars”, Annu Rev Astro Astrophys, 1970 [2] Daniele Viganò, “Magnetic fields in neutron stars”, 2013 [3] Trần Quốc Hà, “Thiên văn học đại cương”, 2003 [4] Menezes Débora Peres, “A neutron star is born”, 2021 [5] Kazim Yavuz Ekşi, “Neutron stars: Compact objects with relativistic gravity”, Turkish Journal of Physics, 2016 [6] R Thomas, W Anna, R Paul, “A NICER View of the Massive Pulsar PSR J0740+6620 Informed by Radio Timing and XMM-Newton Spectroscopy”, The Astrophysical Journal Letters, 2021 [7] Alfred B.Bortz, Trần Nghiêm dịch, “Lịch sử vật lí kỉ 20”, 2010 [8] https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/neutron_stars1.html [9] https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/objects/supernovae1.html [10] https://nasa.tumblr.com/post/163637443034/five-famous-pulsars-from-the-past-50-years [11] https://www.atnf.csiro.au/outreach/education/everyone/pulsars/index.html [12] https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/M/Magnetar [13] https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/P/Pulsar [14] https://astronomy.swin.edu.au/cosmos/N/Neutron+Star [15] https://www.ted.com/talks/david_lunney_the_life_cycle_of_a_neutron_star/ [16] https://www.youtube.com/watch?v=udFxKZRyQt4 [17] https://www.youtube.com/watch?v=ow9JCXy1QdY [18] https://www.youtube.com/watch?v=oLoLey75i2k [19] https://www.youtube.com/watch?v=oLoLey75i2k&t=330s [20] https://www.youtube.com/watch?v=pLivjAoDrTg 17 ... 2.1 Các tiên đoán neutron 2.2 Pulsar chứng tồn Neutron 2.3 Các nghiên cứu bật neutron CẤU TRÚC VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA SAO NEUTRON 3.1 Cấu trúc ... 10 HOẠT ĐỘNG VÀ TỪ TRƯỜNG CỦA SAO NEUTRON 10 4.1 Hoạt động từ trường Pulsar .10 4.2 Hoạt động từ trường từ: .11 MỘT SỐ SAO NEUTRON (PULSAR) QUAN TRỌNG TRONG... tiến hóa neutron Hai là, lịch sử nghiên cứu neutron Ba là, cấu trúc đặc điểm Bốn là, hoạt động từ trường neutron 1 NGUỒN GỐC VÀ SỰ TIẾN HĨA CỦA SAO NEUTRON 1.1 Nguồn gốc hình thành Neutron 1.1.1