Tin tức Vũ trụ TV

Kết quả của các vụ va chạm sao neutron: có lỗ đen hoặc không

Ngày:
Th11 11, 2020
Tóm lược:

Một nghiên cứu mới điều tra sự hình thành lỗ đen trong các vụ sáp nhập sao neutron. Các mô phỏng trên máy tính cho thấy các đặc tính của vật chất hạt nhân dày đặc đóng một vai trò quan trọng, liên kết trực tiếp sự kiện hợp nhất vật lý thiên văn với các thí nghiệm va chạm ion nặng tại GSI và FAIR. Các đặc tính này sẽ được nghiên cứu chính xác hơn tại cơ sở FAIR trong tương lai.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Loạt ảnh trên và dưới đều cho thấy sự mô phỏng của sự hợp nhất sao neutron. Trong kịch bản hiển thị ở các bảng phía trên, ngôi sao sụp đổ sau khi hợp nhất và tạo thành một lỗ đen, trong khi kịch bản hiển thị ở hàng dưới dẫn đến một ngôi sao ít nhất là tạm thời ổn định.
Loạt ảnh trên và dưới đều cho thấy sự mô phỏng của sự hợp nhất sao neutron. Trong kịch bản hiển thị ở các bảng phía trên, ngôi sao sụp đổ sau khi hợp nhất và tạo thành một lỗ đen, trong khi kịch bản hiển thị ở hàng dưới dẫn đến một ngôi sao ít nhất là tạm thời ổn định.

Một nghiên cứu mới do các nhà khoa học GSI và các đồng nghiệp quốc tế chủ trì điều tra sự hình thành lỗ đen trong các vụ sáp nhập sao neutron. Các mô phỏng trên máy tính cho thấy các đặc tính của vật chất hạt nhân dày đặc đóng một vai trò quan trọng, liên kết trực tiếp sự kiện hợp nhất vật lý thiên văn với các thí nghiệm va chạm ion nặng tại GSI và FAIR. Các đặc tính này sẽ được nghiên cứu chính xác hơn tại cơ sở FAIR trong tương lai. Kết quả hiện đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters . Với việc trao giải Nobel Vật lý năm 2020 cho mô tả lý thuyết về lỗ đen và phát hiện ra một vật thể siêu lớn ở trung tâm thiên hà của chúng ta, chủ đề này hiện cũng nhận được rất nhiều sự quan tâm.

Nhưng trong điều kiện nào thì lỗ đen thực sự hình thành? Đây là câu hỏi trọng tâm của cuộc nghiên cứu do GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ở Darmstadt đứng đầu trong một sự hợp tác quốc tế. Sử dụng mô phỏng máy tính, các nhà khoa học tập trung vào một quá trình cụ thể để hình thành lỗ đen, cụ thể là sự hợp nhất của hai sao neutron (phim mô phỏng).

Sao neutron bao gồm các vật chất có mật độ nén cao. Khối lượng của một khối lượng rưỡi mặt trời bị ép xuống kích thước chỉ vài km. Điều này tương ứng với mật độ tương tự hoặc thậm chí cao hơn ở bên trong hạt nhân nguyên tử. Nếu hai sao neutron hợp nhất, vật chất sẽ bị nén thêm trong vụ va chạm. Điều này đưa tàn dư sáp nhập trên bờ vực sụp đổ thành một lỗ đen. Hố đen là vật thể nhỏ gọn nhất trong vũ trụ, ngay cả ánh sáng cũng không thoát ra được nên không thể quan sát trực tiếp những vật thể này.

“Tham số tới hạn là tổng khối lượng của các sao neutron. Nếu nó vượt quá một ngưỡng nhất định thì sự sụp đổ thành một lỗ đen là không thể tránh khỏi”, Tiến sĩ Andreas Bauswein từ khoa lý thuyết GSI tóm tắt. Tuy nhiên, khối lượng ngưỡng chính xác phụ thuộc vào đặc tính của vật chất hạt nhân có mật độ cao. Người ta vẫn chưa hiểu rõ về chi tiết những đặc tính này của vật chất mật độ cao, đó là lý do tại sao các phòng nghiên cứu như GSI lại va chạm hạt nhân nguyên tử – giống như sự hợp nhất sao neutron nhưng ở quy mô nhỏ hơn nhiều. Trên thực tế, các vụ va chạm ion nặng dẫn đến các điều kiện rất giống như sự hợp nhất của các sao neutron. Dựa trên sự phát triển lý thuyết và các thí nghiệm vật lý ion nặng, có thể tính toán một số mô hình nhất định của vật chất sao neutron, được gọi là phương trình trạng thái.

Sử dụng nhiều phương trình trạng thái này, nghiên cứu mới đã tính toán khối lượng ngưỡng cho sự hình thành lỗ đen. Nếu vật chất sao neutron hoặc vật chất hạt nhân, tương ứng, có thể dễ dàng nén – nếu phương trình trạng thái là “mềm” – thì sự hợp nhất một ngôi sao neutron tương đối nhẹ dẫn đến sự hình thành lỗ đen. Nếu vật chất hạt nhân “cứng hơn” và ít nén hơn, phần còn lại được ổn định chống lại cái gọi là sự sụp đổ hấp dẫn và tàn dư sao neutron quay lớn hình thành từ vụ va chạm. Do đó, khối lượng ngưỡng cho sự sụp đổ tự nó thông báo về các đặc tính của vật chất mật độ cao. Nghiên cứu mới tiết lộ thêm rằng ngưỡng sụp đổ thậm chí có thể làm rõ liệu trong khi va chạm, nucleon có hòa tan vào các thành phần của chúng, các quark hay không.

Giáo sư Nikolaos Stergioulas thuộc khoa vật lý của Đại học Aristotle Thessaloniki ở Hy Lạp cho biết thêm: “Chúng tôi rất vui mừng về kết quả này vì chúng tôi kỳ vọng rằng những quan sát trong tương lai có thể tiết lộ khối lượng ngưỡng”. Chỉ vài năm trước, một sự hợp nhất sao neutron lần đầu tiên được quan sát thấy bằng cách đo sóng hấp dẫn từ vụ va chạm. Các kính thiên văn cũng tìm thấy “đối tác điện từ” và phát hiện ánh sáng từ sự kiện sáp nhập. Nếu một lỗ đen được hình thành trực tiếp trong quá trình va chạm, thì sự phát xạ quang học của sự hợp nhất là khá mờ. Do đó, dữ liệu quan sát cho biết liệu một lỗ đen có được tạo ra hay không. Đồng thời tín hiệu sóng hấp dẫn mang thông tin về tổng khối lượng của hệ. Các ngôi sao càng lớn thì tín hiệu sóng hấp dẫn càng mạnh,

Trong khi các máy dò sóng hấp dẫn và kính thiên văn chờ đợi sự hợp nhất sao neutron tiếp theo, thì khóa học đang được tổ chức tại Darmstadt để có kiến ​​thức thậm chí còn chi tiết hơn. Cơ sở máy gia tốc mới FAIR, hiện đang được xây dựng tại GSI, sẽ tạo ra những điều kiện, thậm chí còn giống với những điều kiện trong vụ hợp nhất sao neutron. Cuối cùng, chỉ có sự kết hợp của các quan sát thiên văn, mô phỏng máy tính và các thí nghiệm ion nặng mới có thể giải quyết các câu hỏi về các khối cấu tạo cơ bản của vật chất và tính chất của chúng, và bằng cách này, chúng cũng sẽ làm rõ cách thức xảy ra sự sụp đổ thành một lỗ đen.


Nguồn truyện:

Tài liệu do GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. Andreas Bauswein, Sebastian Blacker, Vimal Vijayan, Nikolaos Stergioulas, Katerina Chatziioannou, James A. Clark, Niels-Uwe F. Bastian, David B. Blaschke, Mateusz Cierniak, Tobias Fischer. Phương trình giới hạn trạng thái từ khối lượng nhị phân ngưỡng cho sự sụp đổ nhanh chóng của các vụ sáp nhập sao neutron . Các Thư Đánh giá Vật lý , 2020; 125 (14) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.141103

Bài viết liên quan

Bài viết mới