Sao từ là một trong những vật thể hấp dẫn và cực đoan nhất được quan sát trong vật lý thiên văn, được phân biệt bởi từ trường đặc biệt và mối liên hệ của chúng với các hiện tượng năng lượng cao trong không gian.
Những ngôi sao neutron kỳ lạ này thể hiện một số lực từ mạnh nhất trong vũ trụ, ảnh hưởng đáng kể đến hành vi và phát xạ của chúng.
Sao từ là gì?
Sao từ là một loại sao neutron đặc biệt, tàn dư của những ngôi sao khổng lồ đã trải qua vụ nổ siêu tân tinh. Với đường kính khoảng 20 km và khối lượng gấp khoảng 1,4 lần Mặt Trời bị nén lại trong thể tích nhỏ bé đó, mật độ của sao từ lớn đến mức chỉ một thìa vật chất của nó cũng nặng hơn 100 triệu tấn.
Điểm khác biệt giữa sao từ và sao neutron thông thường là cường độ từ trường của chúng. Cường độ từ trường này bắt nguồn từ một quá trình phát điện cực kỳ hiệu quả trong quá trình hình thành sao, một cơ chế chuyển đổi nhiệt và năng lượng quay của sao thành năng lượng từ trường trong giai đoạn đầu ngắn ngủi và hỗn loạn của sao neutron.
Cường độ từ trường
Từ trường của sao từ là nguyên nhân gây ra các bức xạ năng lượng cao đặc trưng của chúng. Những ngôi sao này phát ra các chùm tia X và tia gamma mạnh, thường được các đài quan sát không gian quan sát dưới dạng các chớp sáng ngắn và mạnh.
Những bức xạ này chủ yếu phát sinh từ sự phân rã của từ trường sao từ—một quá trình giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ trong khoảng 10.000 năm, khoảng thời gian hoạt động chủ yếu của sao từ. Sau khoảng thời gian này, từ trường giảm dần và các bức xạ đặc trưng cũng giảm dần.
Một nguồn đáng kể của những vụ bùng phát năng lượng này là động đất sao: những dịch chuyển dữ dội giống như kiến tạo trong lớp vỏ sao từ do ứng suất từ trường cực lớn gây ra. Những vết nứt vỏ này đột ngột làm nhiễu loạn từ trường xung quanh, kích hoạt các vụ nổ bức xạ điện từ có thể phát hiện được trên khắp thiên hà.
Những cơn bùng phát từ trường khổng lồ, đôi khi mạnh hơn hàng nghìn lần so với các cơn bùng phát Mặt Trời thông thường, có thể gây ra những đợt tăng đột ngột về độ sáng, làm sáng rực môi trường xung quanh sao từ.
Sao từ và vật lý thiên văn năng lượng cao
Sao từ là cốt lõi của nghiên cứu vật lý thiên văn năng lượng cao nhờ các bức xạ kỳ lạ và mạnh mẽ của chúng. Các vụ nổ tia gamma và bùng phát tia X của chúng kết nối chúng với các hiện tượng vũ trụ năng lượng khác như các sao lặp gamma mềm (SGR) và sao xung tia X dị thường (AXP). Ban đầu là những nguồn phát tia gamma lặp đi lặp lại đầy bí ẩn, những hiện tượng này hiện được hiểu là biểu hiện của hoạt động sao từ.
Các nhà vật lý thiên văn cũng nghiên cứu vai trò tiềm tàng của sao từ trong việc tạo ra các vụ nổ vô tuyến nhanh (FRB), những xung vô tuyến bí ẩn kéo dài hàng mili giây bắt nguồn từ khoảng cách ngoài thiên hà. Một số sao từ đã được quan sát thấy phát ra cả tia X và vụ nổ vô tuyến, củng cố lý thuyết cho rằng các trận động đất sao từ tạo ra các bức xạ đồng thời trên các vùng khác nhau của quang phổ điện từ.
Những khám phá này giúp hiểu sâu hơn về mối liên hệ giữa động lực từ trường, bên trong sao neutron và gia tốc hạt cực đại.
Thăm dò sao từ: Quan sát hiện đại
Các sứ mệnh không gian như Kính viễn vọng Không gian Tia gamma Fermi của NASA đã cho phép quan sát sâu sắc về sao từ. Kể từ khi được phóng vào năm 2009, Fermi đã phát hiện bức xạ từ nhiều nguồn sao từ, bao gồm cả những nguồn mới được xác định làm phong phú thêm quần thể sao từ đã biết. Những quan sát này theo dõi hàng trăm sự kiện năng lượng trong các vụ bùng nổ, tiết lộ các mô hình thời gian, đặc tính quang phổ và số liệu thống kê về quần thể sao từ.
Các bong bóng tia gamma do Fermi phát hiện gần trung tâm Ngân Hà càng minh họa rõ hơn quy mô của các hiện tượng năng lượng cao có thể liên quan đến hoạt động của sao từ hoặc các nguồn năng lượng liên quan. Những cấu trúc này trải dài hàng chục nghìn năm ánh sáng và đại diện cho các quá trình gia tốc và phát xạ hạt đang diễn ra ở quy mô thiên hà.
Bổ sung cho các quan sát điện từ, các máy dò sóng hấp dẫn nhắm đến việc ghi lại các gợn sóng trong không thời gian do các trận động đất sao bên trong các sao từ tạo ra. Vì sự nhiễu loạn trong phân bố khối lượng của sao từ trong các trận động đất có thể tạo ra sóng hấp dẫn, việc phát hiện đồng thời các vụ nổ vô tuyến nhanh, các photon năng lượng cao và sóng hấp dẫn sẽ là một bước đột phá lớn, củng cố nhiều mô hình lý thuyết bằng chứng trực tiếp.
Sao từ là một trong những vật thể có từ tính cực đại và năng lượng mạnh nhất được biết đến trong vũ trụ. Sinh ra từ những vụ sụp đổ của các ngôi sao khổng lồ, chúng chứa đựng từ trường mạnh hơn từ trường Trái Đất hàng tỷ lần, tạo ra những bức xạ tia X, tia gamma và thậm chí là sóng vô tuyến mạnh mẽ.
Các nghiên cứu của họ làm sáng tỏ mối liên hệ giữa tàn dư của các ngôi sao, sự tiến hóa của từ trường và các quá trình năng lượng cao trong không gian. Những tiến bộ không ngừng trong công nghệ quan sát, từ kính viễn vọng tia gamma đến máy dò sóng hấp dẫn, hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ những bí ẩn còn lại xung quanh sao từ và vị trí đặc biệt của chúng trong các hiện tượng vũ trụ.
