Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra cặp sao neutron nhẹ nhất từng được ghi nhận. Hai tàn tích sao siêu đặc này quay quanh nhau với chu kỳ 2 giờ 22 phút và đang tiến dần đến một vụ va chạm tất yếu sau khoảng 82 triệu năm nữa. Bằng cách đo thời gian phát xung vô tuyến từ một trong hai ngôi sao, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận được 3 hiệu ứng tinh vi mà Thuyết tương đối tổng quát của Albert Einstein dự đoán, đồng thời xác nhận lý thuyết này mô tả chuyển động của cặp sao chính xác tới khoảng 99% - một lần nữa chứng minh nhà vật lý thiên tài đã đúng.
Kết quả nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 15 tháng 9 trên tạp chí Physical Review Letters.
Sao neutron là phần lõi sụp đổ của các ngôi sao khối lượng lớn sau những vụ nổ siêu tân tinh. Mỗi ngôi sao nén khối lượng lớn hơn cả Mặt Trời vào một khối cầu có đường kính chỉ khoảng 20 km (12 dặm). Một số sao neutron - gọi là mạch xung (pulsar) - tự quay rất nhanh và quét các chùm sóng vô tuyến qua không gian như những ngọn hải đăng vũ trụ. Tốc độ quay của chúng ổn định đến mức các xung sóng hoạt động như những chiếc đồng hồ vô cùng chính xác.
Hình minh họa một sao neutron (màu xanh) trong hệ sao đôi. Nghiên cứu mới đây đang tìm hiểu về hệ sao đôi neutron nhẹ nhất từng được phát hiện, nhằm kiểm chứng các dự đoán của thuyết tương đối của Einstein. Ảnh: ESA
Rất ít pulsar quay quanh một sao neutron khác. "Chỉ có khoảng 30 hệ sao neutron đôi như vậy được biết đến, và các hiệu ứng tương đối tính sẽ diễn ra rất mạnh nếu chúng nằm trên quỹ đạo hẹp," đồng tác giả nghiên cứu JinLin Han, nhà thiên văn học tại Đài thiên văn Quốc gia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, chia sẻ với Live Science.
Cặp sao đôi đầu tiên thuộc loại này được phát hiện vào năm 1974 (được biết đến với tên gọi hệ sao đôi Hulse-Taylor) đã cung cấp bằng chứng đầu tiên về sóng hấp dẫn — những gợn sóng trong thời-không do Einstein dự đoán. Các sóng này mang năng lượng ra xa khỏi cặp sao, khiến quỹ đạo của chúng thu hẹp dần. Quỹ đạo của Hulse-Taylor đã thu hẹp đúng theo tỷ lệ mà lý thuyết của Einstein đưa ra.
Sau đó, "pulsar đôi" (hoàn thành một vòng quay mỗi 2,45 giờ) đã khớp với tỷ lệ dự đoán ở mức độ chính xác lên tới khoảng 0,01%. Sự thu hẹp quỹ đạo này cuối cùng sẽ ép các cặp sao sáp nhập vào nhau, giải phóng sóng hấp dẫn tương tự như những gì đài quan sát LIGO và Virgo đã thu được vào năm 2017.
Cặp sao mới được phát hiện
Hệ sao mới phát hiện có ký hiệu PSR J1856-0039, nằm cách Trái Đất khoảng 4.200 đến 6.500 năm ánh sáng. Vào năm 2020, hệ sao này đã xuất hiện trong một cuộc khảo sát đĩa Ngân Hà bằng kính thiên văn vô tuyến FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope) của Trung Quốc — kính thiên văn vô tuyến đơn đĩa lớn nhất thế giới.
"Chúng tôi đã phát hiện khoảng 900 pulsar," ông Han nói về công việc của nhóm. "Sau một vài quan sát theo dõi, đối tượng này tỏ ra vô cùng phi thường."
Ngôi sao pulsar này quay khoảng 43 vòng mỗi giây, và khoảng cách giữa hai ngôi sao chỉ bằng khoảng hai lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng. Tuy nhiên, "điểm hấp dẫn nhất" chính là chu kỳ quỹ đạo ngắn, chỉ khoảng 2,36 giờ, ông Han cho biết. "Đây là chu kỳ ngắn thứ hai từng được ghi nhận, và nó chắc chắn thể hiện các hiệu ứng tương đối tính mạnh hơn cả hệ pulsar đôi nổi tiếng lẫn hệ Hulse-Taylor."
Nhóm nghiên cứu đã quan sát cặp sao bằng kính FAST 17 lần từ năm 2020 đến 2025, có những lần kéo dài đủ để bao quát trọn vẹn một vòng quỹ đạo. Các nhà nghiên cứu đã đo thời gian xung cập bến, sau đó đưa dữ liệu vào các mô hình quỹ đạo có tính đến các hiệu ứng tương đối tính, chẳng hạn như những thay đổi nhỏ về thời gian xung ở các vị trí khác nhau trên quỹ đạo.
"Với rất nhiều phép đo từ FAST — độ chính xác mà các kính thiên văn khác khó lòng sánh kịp — chúng tôi không chỉ thu được các thông số cơ bản của pulsar và quỹ đạo của nó mà còn ghi nhận được 3 hiệu ứng tương đối tính," ông Han chia sẻ.
Thứ nhất, quỹ đạo đang thu hẹp lại do các ngôi sao bức xạ sóng hấp dẫn, khiến chúng tiến lại gần nhau khoảng 2,7 mét (9 feet) mỗi năm.
Thứ hai, quỹ đạo hình elip xoay chậm với tốc độ 17,6 độ mỗi năm — nhanh hơn khoảng 150.000 lần so với độ lệch tương đối tính trên quỹ đạo Sao Thủy.
Thứ ba, vì cả trọng lực và tốc độ đều làm chậm thời gian, "đồng hồ" của pulsar chạy với tốc độ thay đổi dọc theo quỹ đạo elip, làm lệch các xung sóng lên tới khoảng 0,5 miligiây.
Hình minh họa hai sao neutron tạo ra sóng hấp dẫn (màu tím) khi chúng xoắn ốc về phía nhau trong một quỹ đạo nhị phân ngày càng thu hẹp. Tốc độ thu hẹp quỹ đạo này cung cấp một phép thử tự nhiên cho thuyết tương đối của Einstein.
Từ các phép đo này, nhóm nghiên cứu đã xác định được khối lượng của pulsar và sao đồng hành. Tổng khối lượng của hệ là thấp nhất trong số tất cả các hệ sao neutron đôi đã biết. Pulsar có khối lượng bằng khoảng 1,3 lần Mặt Trời, trong khi sao đi kèm chỉ nặng 1,19 lần khối lượng Mặt Trời — một trong những sao neutron nhẹ nhất từng được ghi nhận. Các mô phỏng cho thấy các vụ nổ siêu tân tinh khó có thể tạo ra sao neutron nhẹ hơn mức này.
Hai ngôi sao sẽ sáp nhập sau khoảng 82 triệu năm nữa. Vụ va chạm đó nhiều khả năng sẽ để lại một sao neutron nặng hơn với khối lượng khoảng 2,26 lần Mặt Trời, dù các nhà nghiên cứu ước tính tàn tích cũng có thể sụp đổ thành một hố đen.
Thêm một chiến thắng cho Einstein
Chỉ cần hai trong số ba hiệu ứng trên là đủ để tính toán khối lượng của cả hai ngôi sao. Hiệu ứng thứ ba đóng vai trò như một phép kiểm tra độc lập, bởi nếu thuyết tương đối tổng quát đúng, cả ba hiệu ứng phải cùng chỉ ra một kết quả khối lượng giống nhau — và chúng hoàn toàn trùng khớp.
"Chúng tôi nhận thấy thuyết tương đối tổng quát là cần thiết để giải thích dữ liệu, và độ nhất quán đạt khoảng 1%," ông Han nói. Thử nghiệm trên hệ pulsar đôi trước đây có độ chính xác cao hơn, nhưng nó dựa trên 16 năm dữ liệu, so với khoảng 5 năm của cặp sao mới này. "Thật đáng tiếc là chúng tôi vẫn chưa thể 'đánh bại' được mô tả này về hấp dẫn," ông Han nói thêm, ám chỉ hy vọng của các nhà vật lý về việc tìm ra những vết nứt trong lý thuyết của Einstein nhằm hé lộ nền vật lý mới.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ phát hiện ra hiệu ứng "kéo rê không-thời gian" (frame dragging) — hiện tượng một khối lượng đang tự quay sẽ "xoắn" không-thời gian xung quanh nó, làm cho các quỹ đạo lân cận bị chao đảo. "Trong tương lai, chúng tôi sẽ theo dõi pulsar này, có thể trong nhiều thập kỷ, để phát hiện hiệu ứng kéo rê không-thời gian do độ tự quay của sao neutron gây ra," ông Han cho biết.
Việc đo lường hiệu ứng này sẽ tiết lộ mô-men quán tính của pulsar, vốn phụ thuộc vào cách khối lượng phân bố bên trong nó. Điều đó sẽ cung cấp "một ràng buộc mới chưa từng có" về cách vật chất hành xử ở mật độ cực hạn bên trong lõi sao neutron — một trong những câu hỏi lớn nhất còn bỏ ngỏ của vật lý học.
Nguồn: Live Science
Chi Chi