Bài viết này dựa trên việc trả lời những câu hỏi tương tự của cư dân mạng.
Vật chất của sao neutron không thể tách khỏi môi trường sao neutron và sẽ không đến Trái Đất, do đó không có câu hỏi liệu nó có thể bị đốt cháy hoàn toàn hay không và vấn đề này không có giải pháp.
Sao neutron không thuộc loại sao thông thường. Chúng là tàn tích của những ngôi sao sau khi chết, hay có thể nói là xác chết. Có bốn loại xác sao: sao lùn đen, sao lùn trắng, sao neutron và lỗ đen. Sao lùn đen là xác chết của các ngôi sao lùn đỏ có khối lượng thấp. Do tuổi thọ cực kỳ dài của các sao lùn đỏ nên những xác chết như vậy vẫn chưa tồn tại; Sao lùn trắng là xác chết của những ngôi sao có kích thước nhỏ và vừa như mặt trời. Chúng có rất nhiều trong vũ trụ, chiếm khoảng 10% tổng số các ngôi sao; Sao neutron là xác của những ngôi sao có khối lượng trung bình đến lớn, gấp 8 đến 30 lần khối lượng Mặt trời, còn lỗ đen là xác của những ngôi sao có khối lượng gấp hơn 30 đến 40 lần khối lượng Mặt trời.
Vật chất của sao lùn trắng và sao neutron là vật chất thoái hóa đặc biệt
Cái gọi là trạng thái thoái hóa có nghĩa là dưới áp suất cực lớn, các nguyên tử tạo nên vật chất thông thường của trái đất bị nghiền nát và trở thành vật chất đặc biệt. Nguyên tử ban đầu được cấu tạo từ hạt nhân và các electron bên ngoài. Hạt nhân chiếm 99,96% khối lượng của nguyên tử, nhưng thể tích của nó chỉ bằng hàng trăm tỷ đến hàng nghìn tỷ của nguyên tử.
Điều này có nghĩa là có một khoảng không gian rất lớn giữa hạt nhân nguyên tử và lớp vỏ electron bên ngoài, vì vậy khi nguyên tử bị nghiền nát, vật chất sẽ trở nên rất đặc. Đây là lý do tại sao mật độ vật chất của sao lùn trắng và sao neutron lại cực kỳ cao.
Theo nguyên lý loại trừ Pauli trong cơ học lượng tử, các hạt fermion có tính chất đẩy lẫn nhau, giống như trẻ em không muốn chen chúc nhau khi chơi, nhưng lại đẩy nhau ra khi đến gần. Electron, proton và neutron đều là hạt fermion. Do đó, khi lớp vỏ ngoài của các electron trong nguyên tử bị phá vỡ, các hạt cơ bản này đẩy nhau ra và cố gắng không đến gần nhau. Sự đẩy lẫn nhau này tạo ra một loại áp suất gọi là áp suất thoái hóa.
Áp lực thoái hóa càng lớn khi đi sâu hơn. Sao lùn trắng dựa vào áp suất thoái hóa electron để hỗ trợ áp suất hấp dẫn khổng lồ. Nghĩa là lớp vỏ electron của nguyên tử vẫn tồn tại nhưng bị nén lại. Khi bị nén đến một mức độ nhất định, sự không tương thích giữa các electron tạo thành một lực hỗ trợ nhất định, chống lại áp suất hấp dẫn và duy trì một khoảng cách nhất định giữa hạt nhân và các electron, do đó hạt nhân vẫn còn nguyên vẹn. Theo cách này, mật độ của sao lùn trắng chỉ là 1~10 tấn/cm^3, ít hơn nhiều so với mật độ của sao neutron.
Khi sao lùn trắng đạt đến giới hạn Chandrasekhar, tức là gấp 1,44 lần khối lượng của Mặt trời, áp suất thoái hóa electron không còn có thể chịu được áp suất hấp dẫn tăng lên nữa. Áp suất thoái hóa electron bị phá hủy và khoảng cách giữa electron và hạt nhân biến mất. Electron bị nén một cách bất lực vào trong hạt nhân.
Electron mang điện tích âm, còn proton trong hạt nhân mang điện tích dương. Số electron ở ngoại vi ngoài của một nguyên tử bằng chính số proton trong hạt nhân. Khi các điện tích dương và âm được trung hòa, proton trở thành neutron. Hạt nhân nguyên tử ban đầu bao gồm các nơtron và proton liên kết với nhau bằng lực mạnh. Bây giờ các proton cũng đã trở thành neutron, và toàn bộ hành tinh đã trở thành một hạt nhân neutron lớn hoàn toàn được tạo thành từ neutron. Do đó, hành tinh này là một sao neutron.
Áp suất thoái hóa neutron giữa các neutron mạnh hơn áp suất giữa các electron, điều này hầu như không hỗ trợ hình dạng của sao neutron. Do đó, mật độ của một sao neutron tương đương với mật độ của một hạt nhân nguyên tử, hoặc thậm chí còn dày đặc hơn hạt nhân nguyên tử. Loại vật chất này được gọi là vật chất thoái hóa neutron.
Sao lùn trắng có kích thước gần bằng Trái Đất, với khối lượng gấp từ 0,5 đến 1,44 lần khối lượng Mặt Trời. Một ngôi sao neutron có khối lượng từ 1,44 đến 3 lần khối lượng Mặt trời, nhưng bán kính chỉ khoảng 10 km. Kết quả là, mật độ của nó cao hơn nhiều so với sao lùn trắng, đạt khoảng 1 tỷ tấn trên một centimet khối.
Khi khối lượng của sao neutron trở nên lớn hơn và đạt đến giới hạn Oppenheimer, tức là khoảng 3 khối lượng Mặt Trời hoặc hơn, áp suất thoái hóa neutron hình thành bởi lực đẩy giữa các neutron sẽ không còn khả năng chịu được áp suất hấp dẫn mạnh và sẽ bị nén đột ngột. Thuật ngữ chuyên môn là sự sụp đổ hoặc sụp đổ, trở thành một ngôi sao quark được hỗ trợ bởi áp suất thoái hóa sâu hơn, hoặc trực tiếp sụp đổ thành một lỗ đen.
Cho đến nay, con người vẫn chưa phát hiện ra sự tồn tại của các sao quark, nên người ta thường cho rằng khi khối lượng của một sao neutron vượt quá giới hạn Oppenheimer, nó sẽ trực tiếp sụp đổ thành một lỗ đen.
Cái gọi là giới hạn Chandrasek và giới hạn Oppenheimer, cũng như nguyên lý loại trừ Pauli, đã được giới thiệu nhiều lần trong các bài viết trước, vì vậy tôi sẽ không nhắc lại chúng ở đây.
Vật chất thoái hóa neutron không thể tồn tại bên ngoài một ngôi sao neutron
Từ các điều kiện hình thành sao lùn trắng và sao neutron nêu trên, ta có thể kết luận rằng cả vật chất thoái hóa electron và vật chất thoái hóa neutron đều không thể tồn tại độc lập nếu không có các điều kiện tồn tại của chúng. Bởi vì một khi chúng ra khỏi những điều kiện cụ thể, áp suất hấp dẫn khổng lồ mà chúng mang lại sẽ không còn nữa, và những chất này sẽ không thể duy trì được áp suất thoái hóa. Thay vào đó, chúng sẽ nhanh chóng giãn nở và trở lại trạng thái nguyên tử, trở thành vật chất bình thường bao gồm các nguyên tử trung tính tồn tại trên Trái đất của chúng ta.
Sao lùn trắng và sao neutron là những thiên thể có môi trường cực kỳ khắc nghiệt. Với khả năng khoa học công nghệ hiện tại của nhân loại, chúng ta chỉ có thể quan sát chúng từ xa chứ không thể đến gần. Đặc biệt, sao neutron là những thiên thể cực kỳ đáng sợ. Lực hấp dẫn của chúng chỉ đứng sau lực hấp dẫn của hố đen. Lực hấp dẫn bề mặt có thể đạt tới hàng trăm tỷ lần lực hấp dẫn của Trái Đất. Vận tốc thoát ly tối đa cần đạt tới một nửa tốc độ ánh sáng, tức là 150.000 km/giây.
Chưa kể đến tàu vũ trụ, nếu một người bị lực hấp dẫn của một ngôi sao neutron bắt giữ và kéo đi và cuối cùng va vào bề mặt của ngôi sao neutron với tốc độ cao, năng lượng có thể đạt tới sức mạnh của hàng trăm triệu tấn thuốc nổ mạnh, tương đương với sức mạnh của 20.000 quả bom nguyên tử Hiroshima. Ngay cả vụ nổ có sức mạnh khủng khiếp này cũng sẽ bị lực hấp dẫn mạnh mẽ của sao neutron ngăn chặn, và độ cao của những con sóng mà nó tạo ra sẽ nhỏ hơn một hạt bụi.
Nhiệt độ của một sao neutron có thể đạt tới hàng trăm tỷ đến hàng nghìn tỷ độ, áp suất khí quyển bề mặt lớn hơn 10^21 lần (10 nghìn tỷ lần) so với áp suất tại lõi Trái Đất và từ trường mạnh hơn từ trường của Trái Đất hàng tỷ lần. Vì sao neutron thừa hưởng mômen động lượng của ngôi sao ban đầu nên chúng thường quay với tốc độ cao, tốc độ nhanh nhất có thể đạt tới hàng nghìn vòng/giây. Do các cực từ của nó lệch khỏi trục quay ở một góc nhất định nên các xung điện từ mạnh liên tục lan truyền vào không gian như một ngọn hải đăng đang quay. Khi chúng đi qua Trái Đất, chúng được kính thiên văn vô tuyến bắt được và trở thành sao xung được phát hiện.
Do đó, cái gọi là sao xung là tên gọi dành cho tín hiệu xung điện từ của một ngôi sao neutron quét qua không gian và được con người bắt giữ.
Trong điều kiện khắc nghiệt của lực hấp dẫn và áp suất mạnh như vậy, bề mặt của sao neutron nhẵn đến mức không có cả một hạt bụi. Vật chất có thể rơi ra khỏi sao neutron như thế nào?
Những thay đổi của vật chất thoái hóa neutron sau khi rời khỏi một ngôi sao neutron
Cho đến nay, chỉ có một cách tương đối chắc chắn để vật chất thoái hóa neutron thoát ra khỏi sao neutron, đó là va chạm giữa các sao neutron. Về việc liệu một ngôi sao neutron có phát nổ khi khối lượng của nó đạt đến giới hạn trên thông qua quá trình bồi tụ, đẩy vật chất thoái hóa neutron ra khỏi ngôi sao neutron hay không, cho đến nay vẫn chưa có dữ liệu quan sát hoặc nghiên cứu nào về vấn đề này.
Vào ngày 17 tháng 8 năm 2017, các nhà khoa học đã phát hiện ra sóng hấp dẫn do sự va chạm của hai ngôi sao neutron cách chúng ta 130 triệu năm ánh sáng và quan sát thấy một vụ nổ tia gamma mạnh. Thông qua mô hình khoa học, các nhà khoa học tin rằng sự kiện sóng hấp dẫn mang số hiệu GW170817, các mảnh vỡ của vụ va chạm giữa hai sao neutron đã hình thành nên một số nguyên tố nhẹ như hydro và heli, cũng như các nguyên tố kim loại nặng như vàng, bạc, đồng, sắt, vonfram, niken và chì. Lượng vàng trong sự kiện này nặng gấp 300 lần khối lượng Trái Đất.
Đừng nghĩ rằng 300 khối lượng Trái Đất là nhiều, đó chỉ là một con số nhỏ để mất đi một ngôi sao neutron. Giới hạn dưới của khối lượng của một sao neutron là 1,44 lần khối lượng của mặt trời, trong khi khối lượng của trái đất chỉ bằng 1/330.000 khối lượng của mặt trời. Vụ va chạm của hai ngôi sao neutron đã làm mất đi 300 khối lượng Trái Đất, chỉ bằng vài phần nghìn tổng khối lượng của chúng.
Có thể thấy rằng một khi vật chất thoái hóa neutron rời khỏi sao neutron và mất đi sự ràng buộc của áp suất hấp dẫn mạnh, nó sẽ trở thành vật chất bình thường. Nhưng chúng không đột nhiên trở thành những gì chúng muốn khi bị tách ra; có một quá trình. Đầu tiên, vật chất thoái hóa neutron bị đánh bật ra sẽ giãn nở nhanh chóng khi thoát khỏi áp suất hấp dẫn của sao neutron, và thể tích giãn nở của nó sẽ đạt tới hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần kích thước ban đầu. Sự mở rộng này tất nhiên sẽ đi kèm với một vụ nổ, và đây là vụ nổ đầu tiên.
Sau vụ nổ đầu tiên, vật chất lúc này không phải là vật chất bình thường mà chỉ là một cụm neutron, vẫn còn ở trạng thái neutron.
Vào thời điểm này, quá trình phân rã beta đang diễn ra bên trong chúng. Quá trình này mất khoảng 15 phút. Khi quá trình này hoàn tất, sẽ có sự giãn nở lớn hơn, tức là một vụ nổ dữ dội hơn. Trong vụ nổ, vật chất trở lại bình thường và tạo thành nhiều chất khác nhau tồn tại trên trái đất, được tạo thành từ các nguyên tử trung tính.
Người ta thường tin rằng các kim loại quý như vàng trên Trái Đất chủ yếu có nguồn gốc từ các sự kiện như vậy trong vũ trụ. Những kim loại quý này trôi nổi trong vũ trụ, ngưng tụ thành những hạt nhỏ li ti trong lòng đất khi trái đất hình thành hoặc đi vào lớp vỏ trái đất dưới dạng mưa thiên thạch. Ngày nay, những kim loại quý trôi nổi trong không gian này vẫn có thể rơi xuống Trái Đất dưới dạng thiên thạch và sao băng.
Do đó, vật chất của sao neutron không thể xâm nhập vào bầu khí quyển của Trái Đất.
Đến thời điểm này, có lẽ mọi người đã hiểu tại sao vật chất của sao neutron không thể xâm nhập vào bầu khí quyển của Trái Đất, phải không? Người ta phát hiện ra rằng ngôi sao neutron gần chúng ta nhất cách xa hàng trăm đến hàng nghìn năm ánh sáng. Điều kiện duy nhất để vật chất của sao neutron thoát ra khỏi sao neutron là sự va chạm giữa các sao neutron. Các mảnh vỡ của vụ va chạm sẽ phân rã thành vật chất bình thường trong vòng 15 phút. Vậy làm sao một mật độ vật chất thoái hóa neutron cực cao như vậy lại có thể xuất hiện trên bầu trời phía trên trái đất?
Vì không có thứ gì như vậy nên việc nói về điều gì sẽ xảy ra nếu nó xâm nhập vào bầu khí quyển là vô nghĩa. Nhưng một số người vẫn khăng khăng theo đuổi câu hỏi này, vậy hãy để tôi tưởng tượng xem hậu quả sẽ ra sao nếu một thìa vật chất sao neutron thực sự phân rã trong bầu khí quyển?
Vậy thì câu hỏi chắc chắn không phải là liệu vật chất của sao neutron có thể bị đốt cháy hoàn toàn hay không, mà là liệu Trái Đất có bị đốt cháy hay không.
Chúng ta giả sử rằng mảnh vật chất thoái hóa neutron này có thể tích là 1 cm khối. Nói chung, khi vật chất của sao neutron phân rã và biến thành vật chất, sẽ xảy ra hiện tượng mất khối lượng. Sự mất mát này tương tự như sự phân hạch hạt nhân, khoảng 0,1%. Nếu mật độ vật chất của sao neutron này là 1 tỷ tấn/cm^3, thì khối lượng bị mất trong quá trình phân rã thành vật chất bình thường là khoảng 1 triệu tấn.
Vật chất bị mất sẽ được chuyển hóa thành năng lượng và giải phóng. Theo phương trình khối lượng-năng lượng của Einstein E=MC^2, năng lượng này vào khoảng 9*10^25J (jun), tương đương với sức nổ của 215 triệu tấn thuốc nổ TNT (năng lượng của mỗi tấn thuốc nổ là khoảng 4184.000.000J), tương đương với sức nổ của khoảng 165 tỷ quả bom nguyên tử Hiroshima (mỗi quả có sức nổ tương đương khoảng 13.000 tấn thuốc nổ TNT) phát nổ cùng lúc.
Tổng số đầu đạn hạt nhân mà các quốc gia trên thế giới hiện sở hữu chỉ vào khoảng 10 tỷ tấn TNT. Năng lượng giải phóng từ 1 cm khối vật chất của sao neutron tương đương với hơn 200 triệu lần tổng lượng bom hạt nhân mà con người sở hữu, hoặc tương đương với sức mạnh tác động của 215 tiểu hành tinh đâm vào Trái Đất cách đây 65 triệu năm và gây ra sự tuyệt chủng của loài khủng long. Trong một vụ nổ như vậy, nấm có thể bị thổi bay đến chết chứ đừng nói đến con người.
Bạn có hài lòng với câu trả lời của tôi không? Chào mừng bạn đến thảo luận, cảm ơn bạn đã đọc.
Bản quyền thuộc về Space-Time Communication. Vi phạm và đạo văn là hành vi phi đạo đức. Xin hãy hiểu và hợp tác.
