Các nhà khoa học cho rằng sao neutron đang phát ra một lượng lớn hạt axion, có thể giúp lý giải cho hiện tượng vật chất tối.

Tính đến hiện tại, hạt axion vẫn chỉ là một khái niệm lý thuyết.

Các hạt cơ bản trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, vốn được sử dụng để mô tả ba trong bốn lực cơ bản mà chúng ta biết, vẫn chưa hoàn chỉnh.

Mô hình này phân loại tất cả các hạt hạ nguyên tử, hay còn gọi là hạt cơ bản. Các hạt trong mô hình được chia thành fermion cơ bản, bao gồm 6 loại quark và 6 loại lepton (trong đó electron là một ví dụ); và boson cơ bản, bao gồm hạt Higgs (hay còn gọi là "Hạt của Chúa"), photon - đại diện cho lực điện từ, gluon - đại diện cho lực mạnh, boson W và boson Z - đại diện cho lực yếu.

Về lý thuyết, vẫn còn ít nhất một hạt nữa chưa được khám phá; các nhà khoa học gọi đó là hạt “axion”. Nếu chứng minh được sự tồn tại của axion trong vũ trụ, khoa học sẽ giải quyết thành công nhiều vấn đề phức tạp đang làm đau đầu giới học thuật, thậm chí có thể xác định một trong những loại vật chất tối.

Theo các chuyên gia, sao neutron có thể đang “phun” ra những hạt axion này vào không gian, và các nhà nghiên cứu đang hy vọng có thể đo đạc được chúng. Giới khoa học kỳ vọng có thể tìm hiểu một số đặc tính và bản chất của axion, chẳng hạn như khối lượng của chúng.

Từ thập niên 70, nhiều nhà khoa học lỗi lạc trong lĩnh vực vật lý đã tin rằng hạt axion có tồn tại. Chúng tương tự như neutrino, được cho là tương tác với vật chất khác qua lực yếu, vì vậy rất khó để phát hiện.

Nếu axion tồn tại trong một khoảng khối lượng nhất định, các chuyên gia có thể dự đoán rằng hành vi của chúng giống như vật chất tối, góp phần tạo ra hiệu ứng bí ẩn của lực hấp dẫn.

Theo lý thuyết, axion sẽ nhanh chóng phân rã thành các cặp photon khi ở trong một từ trường mạnh, điều này cũng khiến chúng trở nên “vô hình”. Dựa trên điều này, các nhà khoa học cho rằng nếu một khu vực có từ trường mạnh và ánh sáng lớn không thể giải thích, khả năng cao axion vừa mới phân rã tại đó.

Sao neutron nổi tiếng với từ trường cực mạnh. Chúng thực chất là lõi của những ngôi sao khổng lồ đã trải qua vụ nổ siêu tân tinh, sau đó sụp xuống thành một khối vật chất nóng, với mật độ vật chất cực kỳ dày đặc, có hành vi tương tự một nguyên tử nhưng kích thước lên tới vài chục cây số.

Từ trường phát ra từ sao neutron mạnh hơn hàng trăm triệu lần so với từ trường Trái Đất, đủ sức tiêu diệt mọi sự sống.

Một biến thể của sao neutron được gọi là chuẩn tinh (pulsar), có tốc độ quay cực lớn và khi quay, cực của chuẩn tinh phát ra những chùm bức xạ vô tuyến mạnh mẽ. Các nhà khoa học so sánh những chùm tia này với ánh sáng phát ra từ một ngọn hải đăng, và thậm chí đề xuất sử dụng chuẩn tinh như những “hải đăng không gian” cho những cuộc hành trình sau này.

Năm ngoái, nhà vật lý Dion Noordhuis từ Đại học Amsterdam đã công bố một báo cáo cho rằng chuẩn tinh có thể sản sinh ra tới hơn 50 hạt axion mỗi phút. Khi những hạt bí ẩn này thoát ra từ ngôi sao, chúng sẽ đi qua từ trường mạnh mẽ và chuyển hóa thành photon, khiến cho chuẩn tinh sáng hơn bình thường.

Trong quá trình phân tích một số chuẩn tinh, các nhà nghiên cứu không phát hiện được ánh sáng dư thừa (điều này chứng tỏ axion không phân rã tại những điểm này như dự đoán). Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là axion không tồn tại xung quanh chuẩn tinh, có thể có những giới hạn nào đó khiến tín hiệu từ axion không được rõ ràng.

Trong phần tiếp theo của nghiên cứu, các nhà khoa học cho rằng axion bị mắc kẹt trong từ trường mạnh đến mức sẽ phát ra tín hiệu. Theo thời gian, có thể mất hàng triệu năm, axion sẽ tích tụ gần chuẩn tinh, đồng thời tồn tại song song với sao neutron và phát ra ánh sáng nhẹ như một lớp màng bao bọc bề mặt ngôi sao.

Nếu những đám mây axion này thực sự tồn tại, chúng sẽ xuất hiện xung quanh hầu hết các sao neutron. Chúng cũng sẽ có mật độ lớn, đủ để tạo ra những tín hiệu có thể phát hiện được.

Cho đến nay, khoa học vẫn chưa xác định được chúng có thể phát ra tín hiệu gì, và mới chỉ có hai giả thuyết khả thi. Thứ nhất, đám mây axion sẽ phát ra một tín hiệu liên tục, nằm trong phổ vô tuyến của chuẩn tinh với tần số tương ứng với khối lượng của axion. Chúng ta chưa biết chính xác khối lượng là bao nhiêu, nhưng giới hạn phổ có thể cung cấp những ước tính ban đầu.

Giả thuyết thứ hai là tín hiệu sẽ xuất hiện khi sao neutron chết, tức là khi nó phát nổ và ngừng phát xạ. Quá trình này thường kéo dài hàng trăm triệu năm, và giới thiên văn chưa phát hiện được ngôi sao neutron nào như vậy. Theo ý kiến của chuyên gia, khả năng này có vẻ khả thi hơn.

Về phần ánh sáng thừa, hiện tại giới khoa học vẫn chưa tìm ra bất kỳ dấu hiệu nào cho thấy những đám mây axion thực sự tồn tại quanh các sao neutron. Tuy nhiên, điều này lại giúp các nhà nghiên cứu xác định được những giới hạn mà tại đó axion có thể hình thành.

Các nghiên cứu này góp phần làm rõ hơn về hạt axion bí ẩn, đồng thời cung cấp những chỉ số và phương pháp mới để giúp phát hiện và đo đạc axion, nếu chúng thật sự tồn tại.

Nghiên cứu đã được công bố trên Physical Review X.

Theo ScienceAlert