Vũ trụ bao la ẩn chứa vô vàn điều kỳ diệu, trong đó có những thực thể giả thuyết cực kỳ đặc biệt mang tên sao quark hay sao lạ. Đây là những ngôi sao ngoại lai được tạo thành từ vật chất quark, một dạng vật chất siêu đặc, hình thành trong lòng những sao neutron khổng lồ. Bài viết này sẽ đưa bạn khám phá sâu hơn về bí ẩn của sao quark, từ cấu tạo đến sự hình thành và vai trò của chúng trong vũ trụ.
Vật Chất Quark và Sự Hình Thành Sao Quark
Sao neutron, tàn dư của những ngôi sao khổng lồ sau vụ nổ siêu tân tinh, được cấu tạo chủ yếu từ neutron. Tuy nhiên, dưới áp suất cực lớn do trọng lực của chính nó, sao neutron có thể vỡ ra thành các hạt quark cơ bản: quark up và quark down. Một số quark này tiếp tục biến đổi thành quark lạ, tạo thành vật chất lạ. Lúc này, ngôi sao chuyển thành sao quark hay sao lạ, một loại hadron đơn khổng lồ nhưng bị giới hạn bởi trọng lực.
Vật chất lạ, một thành phần trong thuyết Vật Chất tối, là đối tượng nghiên cứu trong nhiều lý thuyết vũ trụ học. Sao quark hình thành từ sao neutron thông qua quá trình giải phóng quark. Quá trình này tạo ra năng lượng cực lớn, có thể đi kèm với vụ nổ và phóng xạ gamma. Các sao quark có các quark tự do bên trong tâm.
Vị Trí và Đặc Điểm Của Sao Quark
Về khối lượng và mật độ, sao quark nằm giữa sao neutron và hố đen. Nếu thêm đủ vật chất vào sao quark, nó sẽ co lại và sụp đổ thành hố đen. Sao neutron có khối lượng gấp 5-8 lần Mặt Trời, tốc độ tự quay nhanh hơn, và chỉ chiếm khoảng 1% số lượng sao neutron. Điều này cho thấy không phải ngày nào cũng có thể hình thành sao quark mới.
Theo lý thuyết, các sao quark không phát ra bức xạ vô tuyến. Do đó, những sao neutron không phát bức xạ vô tuyến có thể là sao quark. Nghiên cứu gần đây cho thấy cơ chế thu hẹp trường điện từ và giảm mật độ của sao quark, khiến ta nhầm lẫn chúng với sao neutron. Vỏ của những sao này có thể không đặc như chúng ta nghĩ. Bề mặt tiếp xúc giữa vật chất quark và chân không có tính chất khác hẳn so với bề mặt sao neutron. Các thông số quan trọng như sức căng bề mặt và lực điện từ, đã bị bỏ qua trong các nghiên cứu ban đầu.
Những Tranh Cãi và Phát Hiện Mới
Các nhà vật lý thiên văn vẫn đang tranh luận về sự tồn tại của sao quark. Tuy nhiên, một nhóm nhà vật lý đã phát hiện ra tàn dư của vụ hợp nhất sao neutron năm 2019 có khối lượng phù hợp để trở thành một sao quark. Khi các ngôi sao chết, lõi của chúng để lại những tàn dư ở mức độ đáng kinh ngạc, tạo thành những vật thể hoàn toàn mới. Mặt Trời sau khi tắt sẽ trở thành sao lùn trắng, còn những ngôi sao lớn hơn sẽ tạo thành sao neutron.
Sao neutron được cấu tạo từ neutron, nhưng bản thân neutron lại được tạo thành từ các hạt quark. Có 6 loại quark khác nhau, và neutron được tạo thành từ hai quark xuống và một quark lên. Khi nén nhiều neutron lại, chúng có thể tạo thành một quả cầu quark khổng lồ. Nhưng quark không thích ở một mình, lực hạt nhân mạnh liên kết chúng. Nếu cố kéo hai quark ra xa, lực hút sẽ tăng lên và tạo ra các hạt quark mới.
Có một cách khác để tạo ra vật thể vĩ mô từ quark, đó là sử dụng quark lạ. Quark lạ khá nặng, nhưng khi tập hợp lại, chúng có thể tạo thành các hạt lạ ổn định dưới áp suất cực lớn. Áp suất này cao hơn một bậc so với sao neutron. Nếu nén một ngôi sao neutron quá nhiều, nó sẽ nổ tung tạo thành hố đen, nhưng có thể có một bước trung gian, nơi áp suất đủ để hòa tan neutron và tạo thành sao quark.
Sự Kiện GW190425 và Hy Vọng Tìm Thấy Sao Quark
Các nhà thiên văn học không mong đợi tìm thấy nhiều sao quark, bởi vì chúng phải nặng hơn sao neutron nhưng nhẹ hơn hố đen, và không có nhiều “khoảng trống” cho chúng tồn tại. Tuy nhiên, sự kiện sóng hấp dẫn GW190425, do sự hợp nhất của hai sao neutron năm 2019, đã mở ra hy vọng mới.
Sự hợp nhất này tạo ra một vật thể với khối lượng từ 3.11 đến 3.54 lần khối lượng Mặt Trời. Với sự hiểu biết hiện tại về sao neutron, lẽ ra vật thể này đã sụp đổ thành hố đen. Tuy nhiên, khối lượng này cũng nằm trong phạm vi cho phép của các mô hình sao quark.
Việc GW190425 có phải là quan sát đầu tiên về sao quark hay không vẫn còn là điều bí ẩn. Nhưng những quan sát trong tương lai và nhiều công trình lý thuyết hơn sẽ giúp các nhà thiên văn xác định được sự tồn tại của những thực thể kỳ lạ này.
Kết luận
Sao quark, một thực thể vũ trụ kỳ lạ và đầy bí ẩn, vẫn đang là đối tượng nghiên cứu của các nhà khoa học. Dù chưa có bằng chứng trực tiếp, những khám phá mới liên tục mở ra cánh cửa hiểu biết về vật chất và các hiện tượng vũ trụ. Việc tiếp tục nghiên cứu về sao quark sẽ giúp chúng ta làm sáng tỏ hơn những bí ẩn của vũ trụ, đồng thời mở ra những khám phá bất ngờ về các định luật vật lý.
Tài liệu tham khảo:
- Các bài báo khoa học trên arXiv và các tạp chí thiên văn học uy tín.
- Các tài liệu tham khảo chuyên ngành về vật lý hạt và thiên văn học.