Các ngôi sao neutron khổng lồ được cho là có thể tạo ra các kim loại quý như vàng và bạch kim thông qua các vụ va chạm trong không gian. Tuy hiện tại đặc tính của những ngôi sao này vẫn còn là một bí ẩn, nhưng câu trả lời có thể nằm bên dưới lớp vỏ của một trong những khối xây dựng nhỏ nhất trên hành tinh của chúng ta - một hạt nhân nguyên tử chì.
Để một hạt nhân của nguyên tử tiết lộ bí mật về lực tương tác mạnh chi phối bên trong các ngôi sao neutron là một vấn đề khó khăn. Tuy nhiên, giờ đây, một mô hình máy tính mới của Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã có thể cung cấp câu trả lời.
Trong một bài báo được xuất bản gần đây trên tạp chí Nature Physics, các nhà nghiên cứu của Chalmers đã đưa ra một bước đột phá trong tính toán về hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố nặng và ổn định là chì.
Vai trò quan trọng của lực tương tác mạnh
Tuy có sự khác biệt về kích thước giữa một hạt nhân nguyên tử cực nhỏ và một ngôi sao neutron khổng lồ có đường kính nhiều tỷ km; nhưng vật lý chi phối các đặc tính của chúng là giống nhau. Mẫu số chung ở đây là lực tương tác mạnh, nó giữ các hạt proton và neutron trong một hạt nhân nguyên tử lại với nhau. Lực này cũng ngăn một ngôi sao neutron sụp đổ.
Tuy tương tác mạnh là một trong các lực cơ bản trong vũ trụ, nhưng việc đưa nó vào các mô hình tính toán rất khó khăn, đặc biệt là đối với các hạt nhân nguyên tử nặng giàu neutron như chì. Do đó, các nhà khoa học trong nghiên cứu này đã phải vật lộn với nhiều câu hỏi chưa có lời giải đáp trong những tính toán của họ.
Một cách đáng tin cậy để tính toán
Andreas Ekström, Phó giáo sư tại Khoa Vật lý tại Chalmers và là một trong những tác giả chính của bài báo, cho biết: "Để hiểu được lực tương tác mạnh hoạt động như thế nào trong vật chất giàu neutron, chúng ta cần có những so sánh có ý nghĩa giữa lý thuyết và thực nghiệm. Ngoài những quan sát được thực hiện trong phòng thí nghiệm và với kính thiên văn, thì những mô phỏng lý thuyết đáng tin cậy cũng cần thiết. Bước đột phá trong nghiên cứu này có nghĩa là chúng tôi đã có thể thực hiện các mô phỏng như vậy cho nguyên tố ổn định nặng nhất - chì”.
Mô hình máy tính mới của Chalmers, được phát triển cùng với các đồng nghiệp ở Bắc Mỹ và Anh, hiện đã cho thấy con đường phía trước. Nó cho phép dự đoán với độ chính xác cao về các đặc tính của đồng vị chì 208 và "lớp da neutron" của nó.
Bí ẩn vũ trụ liên quan đến độ dày của lớp vỏ hạt nhân
Chính 126 neutron trong hạt nhân nguyên tử chì đã tạo thành một lớp vỏ bên ngoài, có thể xem như một “lớp da”. Độ dày của lớp da này liên quan đến đặc tính của lực hạt nhân mạnh. Do đó, thông qua việc dự đoán độ dày của vỏ neutron, chúng ta có thể thu được hiểu biết mới về cách hoạt động của lực tương tác mạnh, cả trong hạt nhân nguyên tử và sao neutron.
Trưởng nhóm nghiên cứu Christian Forssén, giáo sư tại Khoa Vật lý tại Chalmers cho biết: “Chúng tôi dự đoán rằng lớp da neutron mỏng một cách đáng kinh ngạc. Điều này có thể cung cấp những hiểu biết mới về lực giữa các neutron. Một khía cạnh đột phá của mô hình của chúng tôi là nó không chỉ cung cấp các dự đoán mà còn có khả năng đánh giá biên độ sai số lý thuyết. Điều này rất quan trọng để có thể đạt được một tiến bộ về khoa học”.
Sử dụng mô hình về sự lây lan của virus corona
Để phát triển mô hình tính toán mới, các nhà nghiên cứu đã kết hợp lý thuyết với dữ liệu hiện có từ các nghiên cứu thực nghiệm. Các tính toán phức tạp sau đó đã được kết hợp với một phương pháp thống kê được sử dụng trước đây để mô phỏng khả năng lây lan của virus corona.
Với mô hình mới cho chì, các nhà khoa học giờ đây có thể đánh giá các giả định khác nhau về lực hạt nhân mạnh. Mô hình này cũng giúp đưa ra dự đoán cho các hạt nhân nguyên tử khác, từ nhẹ nhất đến nặng nhất.
Kết quả đột phá trong nghiên cứu này có thể dẫn đến các mô hình chính xác hơn nhiều, chẳng hạn các sao neutron, và nâng cao hiểu biết khoa học về cách chúng được hình thành.
Christian Forssén cho biết: "Mục tiêu đối với chúng tôi là hiểu rõ hơn về cách lực tương tác mạnh hoạt động ở cả sao neutron và hạt nhân nguyên tử. Nghiên cứu sẽ tiến thêm một bước nữa để hiểu cách - ví dụ, vàng và các nguyên tố khác có thể được tạo ra trong các ngôi sao neutron - và cuối cùng thì đây cũng chính là tìm hiểu về vũ trụ”.
Văn Thiện
