Trong năm 1967, một chi tiết bất thường tưởng chừng không đáng chú ý trên bản ghi dữ liệu giấy đã dẫn đến một trong những khám phá vĩ đại nhất của thiên văn học hiện đại.

Khi xem xét các quan sát từ kính thiên văn vô tuyến, nghiên cứu sinh Jocelyn Bell Burnell đã phát hiện một tín hiệu lặp lại khác hẳn mọi thứ mà giới khoa học từng ghi nhận trước đó.

Điều ban đầu chỉ giống như một sai lệch nhỏ sau đó lại hé lộ sự tồn tại của các sao xung – những sao neutron quay cực nhanh. Khám phá này đã làm thay đổi sâu sắc hiểu biết của con người về quá trình tiến hóa của các ngôi sao, lực hấp dẫn và những hiện tượng vật lý khắc nghiệt nhất trong vũ trụ. Hơn nửa thế kỷ sau, sao xung vẫn là công cụ không thể thiếu để nghiên cứu những môi trường kỳ lạ và cực đoan nhất mà khoa học từng biết đến.

Một tín hiệu chưa từng có tiền lệ

Khi Jocelyn Bell Burnell lần đầu phát hiện tín hiệu vô tuyến bí ẩn, nó phát ra theo chu kỳ vô cùng đều đặn, lặp lại sau khoảng 1,337 giây. Quy luật này chính xác đến mức không thể là nhiễu vũ trụ ngẫu nhiên, đồng thời cũng quá ổn định để có thể giải thích bằng lỗi thiết bị hoặc sóng vô tuyến phát ra từ Trái Đất. Vì chưa có lời giải thích tự nhiên nào phù hợp với các quan sát ban đầu, nhóm nghiên cứu đã đùa vui đặt tên cho nguồn phát là "LGM-1", viết tắt của "Người Xanh Bé Nhỏ số 1", trong lúc cẩn thận kiểm tra mọi khả năng có thể xảy ra.

Các quan sát tiếp theo nhanh chóng cho thấy tín hiệu này phát ra từ một loại thiên thể hoàn toàn mới mà con người chưa từng biết đến. Thay vì là tín hiệu nhân tạo, nó xuất phát từ một sao neutron – phần lõi cực kỳ đặc còn sót lại sau khi một ngôi sao có khối lượng lớn phát nổ trong một vụ siêu tân tinh. Khám phá này đã giới thiệu đến giới thiên văn một nhóm thiên thể hoàn toàn mới mang tên sao xung.

Sao xung tạo ra tín hiệu như thế nào?

Sao xung là một sao neutron quay với tốc độ cực nhanh và sở hữu từ trường mạnh đến phi thường. Khi quay, nó phát ra các chùm bức xạ điện từ từ hai cực từ. Do trục từ thường nghiêng so với trục quay của ngôi sao, các chùm bức xạ sẽ quét khắp không gian giống như ánh sáng của ngọn hải đăng. Mỗi khi một trong các chùm bức xạ này quét qua hướng nhìn từ Trái Đất, các kính thiên văn vô tuyến sẽ ghi nhận được một xung tín hiệu với chu kỳ cực kỳ chính xác.

Mặc dù chỉ có đường kính khoảng 20 km, một sao neutron lại có thể chứa khối lượng còn lớn hơn cả Mặt Trời. Chỉ một thìa cà phê vật chất từ sao neutron cũng có thể nặng tới khoảng một tỷ tấn nếu mang về Trái Đất. Một số sao xung chỉ quay một vòng trong vài giây, trong khi những sao xung mili giây có thể quay hàng trăm vòng mỗi giây, trở thành một trong những vật thể quay nhanh nhất trong toàn bộ vũ trụ.

Bước đột phá của thiên văn học hiện đại

Việc phát hiện sao xung đã tạo nên cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật lý thiên văn. Mặc dù sự tồn tại của sao neutron đã được các nhà khoa học dự đoán về mặt lý thuyết từ nhiều thập kỷ trước, sao xung mới chính là bằng chứng quan sát trực tiếp đầu tiên xác nhận rằng những thiên thể đặc biệt này thực sự tồn tại. Các đặc tính phi thường của chúng đã giúp giới khoa học nghiên cứu lực hấp dẫn, vật chất siêu đặc, từ trường cực mạnh và cách không-thời gian hoạt động trong những điều kiện mà con người hoàn toàn không thể tái tạo trên Trái Đất.

Sao xung cũng nhanh chóng trở thành những công cụ khoa học vô cùng quý giá. Tốc độ quay cực kỳ ổn định của chúng có độ chính xác lâu dài gần tương đương với những đồng hồ nguyên tử tốt nhất thế giới, cho phép các nhà thiên văn đo được những thay đổi thời gian vô cùng nhỏ. Nghiên cứu các hệ sao xung đôi đã xác nhận nhiều dự đoán quan trọng trong thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, trong khi các mạng lưới quan sát thời gian sao xung quốc tế đã phát hiện những bằng chứng thuyết phục về nền sóng hấp dẫn tần số thấp lan truyền khắp vũ trụ. Sao xung cũng góp phần giúp các nhà khoa học phát hiện những hành tinh nằm ngoài Hệ Mặt Trời và nâng cao hiểu biết về cấu trúc cũng như sự tiến hóa của Dải Ngân Hà.

Vì sao sao xung vẫn quan trọng đến ngày nay?

Đến nay, các nhà thiên văn đã xác định được hơn 3.400 sao xung trong Dải Ngân Hà, và mỗi sao đều mang đến những manh mối quý giá về vòng đời của các ngôi sao khối lượng lớn cũng như quá trình tiến hóa của thiên hà chúng ta. Một nhóm thiên thể liên quan gọi là sao từ sở hữu từ trường mạnh đến mức thuộc hàng lớn nhất từng được biết trong vũ trụ, tạo nên những "phòng thí nghiệm tự nhiên" độc đáo để nghiên cứu các hiện tượng vật lý cực hạn.

Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm hiểu những ứng dụng thực tiễn của sao xung. Nhờ tín hiệu có tính ổn định và khả năng dự đoán gần như tuyệt đối, chúng được đề xuất sử dụng làm những cột mốc định vị tự nhiên cho các tàu vũ trụ trong tương lai. Khi con người tiến xa hơn trong việc khám phá Hệ Mặt Trời và cả không gian liên sao, sao xung có thể trở thành hệ thống dẫn đường đáng tin cậy cho những hành trình vượt qua khoảng cách khổng lồ giữa các hành tinh, thậm chí giữa các vì sao.

Khám phá sao xung đầu tiên cho thấy chỉ một quan sát cẩn trọng cũng có thể làm thay đổi hoàn toàn cách con người nhìn nhận về vũ trụ. Điều khởi đầu từ một tín hiệu mờ nhạt và bất thường trên bản ghi của kính thiên văn vô tuyến cuối cùng đã trở thành bằng chứng đầu tiên về một trong những thiên thể kỳ diệu nhất của thiên văn học. Ngày nay, sao xung vẫn tiếp tục mở rộng hiểu biết của chúng ta về lực hấp dẫn, sự tiến hóa của các ngôi sao và những quy luật cơ bản của vật lý, đồng thời thúc đẩy các nghiên cứu về sóng hấp dẫn, vật chất siêu đặc và quá trình hình thành, phát triển của các thiên hà. Hơn nửa thế kỷ sau ngày được phát hiện, những tàn dư sao đặc biệt này vẫn là các phòng thí nghiệm tự nhiên vô giá của thiên văn học, nhắc nhở chúng ta rằng những đột phá khoa học vĩ đại nhất thường bắt đầu từ sự tò mò trước những điều tưởng chừng rất nhỏ bé và bất ngờ.