Các nhà vật lí ở Mĩ khẳng định có thể có những ngôi sao “điện yếu” đang bị che dấu trong vũ trụ. Theo các nhà nghiên cứu, những ngôi sao như vậy là thứ mà những ngôi sao nặng nhất định có thể trở thành một khi chúng tiêu thụ hết nguồn nhiên liệu hạt nhân của mình và trước khi chúng co lại thành một lỗ đen. Dự báo lí thuyết này cho rằng kiến thức hiện nay của chúng ta về sự tiến hóa sao có lẽ là chưa hoàn chỉnh.


Những ngôi sao bình thường tồn tại dưới dạng những vật thể ổn định vì áp suất bức xạ hướng ra bên ngoài của năng lượng giải phóng bởi các phản ứng nhiệt hạch hạt nhân của chúng cân bằng với lực hấp dẫn hướng vào trong của vật chất sao. Một khi ngôi sao đã đốt hết nhiên liệu hạt nhân của nó thì nó nổ tung vào trong do hấp dẫn. Cái xảy ra tiếp sau đó tùy thuộc vào ngôi sao ấy nặng bao nhiêu. Những ngôi sao dưới một khối lượng nhất định co lại thành sao neutron, trong đó hầu như toàn bộ proton đã biến đổi thành neutron. Với lực đẩy tĩnh điện không còn, ngôi sao trở nên đặc đến mức khó tin. Tuy nhiên, nguyên lí loại trừ Pauli giữa các neutron ngăn cấm sự co lại cuối cùng của những ngôi sao nhẹ hơn.

Những sao neutron tương đối nặng cuối cùng thật sự trở thành lỗ đen, nhưng một số nhà khoa học tin rằng trong hành trình của chúng để đạt tới mật độ vô hạn, những vật thể này tiến hóa thành “sao quark”, trong đó các neutron bị phá vớ thành các quark thành phần của chúng. Glenn Starkman thuộc trường đại học Case Western Reserve, cùng với De-Chang Dai và Dejan Stojkovic thuộc trường đại học bang New York ở Buffalo và Arthur Lue thuộc Viện Công nghệ Massachusetts, vừa nghiên cứu cái có thể xảy ra với những ngôi sao như thế khi vật chất quark của chúng bị nén lại đến mật độ và áp suất còn lớn hơn nữa.

Biến đổi đổi thành lepton

Các nhà nghiên cứu trên nói rằng hành trạng của các quark phải thay đổi một cách cơ bản nếu nhiệt độ của ngôi sao vượt quá mức ở đó lực điện từ và lực yếu cùng trở nên một lực duy nhất. Một khi đã ở trên nhiệt độ điện yếu, các quark có thể biến đổi thành các lepton, giải phóng những lượng năng lượng khổng lồ trong quá trình đó vì các neutrino phát ra có thể rút lấy năng lượng từ lõi của ngôi sao. Sự co lại cuối cùng thành một lỗ đen sẽ bị cản trở bởi sự đốt cháy này của các quark.

“Đây là quá trình quan trọng được tiên đoán bởi Mô hình Chuẩn đã được kiểm nghiệm tốt của ngành vật lí hạt cơ bản”, Starkman nói. “Ở nhiệt độ nhiệt độ thông thường, nó thuộc loại hiếm đến mức có khả năng chưa từng xảy ra trong vũ trụ khả kiến trong 10 tỉ năm qua, ngoại trừ có lẽ trong lõi của những ngôi sao điện yếu này và trong các phòng thí nghiệm thuộc một số nền văn minh tiên tiến”.

Stojkovic nêu rõ rằng sự co lại của ngôi sao có thể xem là ngược lại sự giãn nở xảy ra sau Big Bang. Ông nói vì các quark nặng được tạo ra ở những nhiệt độ điện yếu khi vũ trụ giãn nở, nên rất có khả năng chúng bị phân hủy khi các ngôi sao đạt tới những nhiệt độ này từ một hướng khác. “Nếu chúng ta tin vào Mô hình Chuẩn”, ông bổ sung thêm, “thì chúng ta không thể thoát khỏi pha này trong sự tiến hóa sao của những ngôi sao đủ nặng”.

Trong bài báo của họ, các nhà nghiên cứu đã khảo sát thời gian một ngôi sao có thể tồn tại trong một trạng thái “điện yếu” như vậy. Giống hệt như một ngôi sao ở trạng thái bình thường của nó tránh sự co sập do hấp dẫn bằng cách đốt cháy nhiên liệu hạt nhân, ở trong trạng thái điện yếu của nó, ngôi sao sẽ kháng lại sự nổ vào trong bằng cách đốt cháy các quark. Đội nghiên cứu đã tính được tốc độ vật chất quark có thể đi từ những lớp bên ngoài của ngôi sao vào trong lõi siêu nóng và đặc của nó, và họ nhận thấy sự đốt cháy có thể kéo dài tới 10 triệu năm. Thời gian này, họ nói, đủ lâu để xem một ngôi sao như thế là một vật thể riêng biệt với những vật khác – một ngôi sao điện yếu. Thật vậy, Starkman nói, nếu quá trình đốt cháy đủ hiệu quả, thì một ngôi sao như vậy có thể tiêu thụ đủ khối lượng cho nên rốt cuộc nó không bao giờ trở thành một lỗ đen.

Vẫn còn đó những câu hỏi

Starkman thừa nhận rằng vẫn còn đó nhiều câu hỏi. Chẳng hạn, ông nói, có khả năng là pha điện yếu của ngôi sao có thể rất không bền và thật ra tồn tại không lâu hơn một giây. Ông còn nêu rõ rằng việc quan sát một vật thể như vậy có thể cực kì khó khăn. Đa phần năng lượng phát ra sẽ được mang bởi các neutrino, nhưng tính trơ lì của các neutrino khiến không có khả năng cho các thí nghiệm có thể đủ nhạy để phát hiện ra chúng. Một số năng lượng còn có khả năng được mang ra bởi các photon, nhưng phần này sẽ nhỏ thôi. Kết quả là việc tìm kiếm dấu hiệu điện từ của một ngôi sao điện yếu sẽ đòi hỏi kiến thức cụ thể về những lớp bên ngoài của ngôi sao và cách thức các photon truyền qua những lớp này, một kiến thức cho đến nay các nhà nghiên cứu chưa có được.

Pavel Kroupa thuộc trường đại học Bonn ở Đức phát biểu rằng nghiên cứu này “có vẻ như một ứng dụng tuyệt đẹp của ngành vật lí cơ bản nếu như sự thật ủng hộ sự tồn tại của một loại sao hoàn toàn mới”.

Tuy nhiên, Paolo Gondolo thuộc trường đại học Utah tin rằng “một ngôi sao điện yếu như vậy tồn tại là rất đáng ngờ”. Ông giữ quan điểm rằng áp suất bức xạ tác dụng bởi nhiên liệu quark đang cháy sẽ mạnh đến mức thổi tung những lớp bên ngoài của ngôi sao ra ngoài. Bài báo trên đã được chấp thuận cho đăng trên tờ Physical Review Letters và đã được tải lên arXiv.