Cho tới giờ, hạt axion vẫn còn là khái niệm nằm trên giấy.
Những thứ hạt cơ bản trong Mô hình Chuẩn của vật lý hạt, vốn dùng để mô tả 3 trong 4 lực cơ bản mà chúng ta biết tới vẫn chưa trọn vẹn.
Mô hình này phân loại tất cả các hạt hạ nguyên tử, hay còn gọi là hạt cơ bản. Các hạt trong mô hình chia thành fermion cơ bản bao gồm 6 loại quark, 6 loại lepton (với electron là một trong số đó); và boson cơ bản bao gồm hạt Higgs (hay còn được gọi với cái tên “Hạt của Chúa”), photon – đại diện cho điện từ, gluon – đại diện cho lực mạnh, boson W và boson Z – đại diện cho lực yếu.
Mô hình chuẩn của Hạt cơ bản – (Ảnh: Wikimedia Commons).
Về mặt lý thuyết, chúng ta còn ít nhất một hạt nữa chưa được khám phá ra; các nhà khoa học gọi nó là hạt “axion”. Nếu chứng minh được sự tồn tại của các axion trong vũ trụ, khoa học sẽ giải thành công nhiều bài toán khó vẫn đang làm đau đầu giới học thuật, thậm chí sẽ đặt được tên cho một trong những loại vật chất tối.
Và nhận định từ giới chuyên môn, sao neutron có thể đang “phun” ra những hạt axion này vào không gian, và các nhà nghiên cứu đang mong có thể đo đạc được chúng. Giới khoa học hy vọng có thể biết được một số đặc tính và bản chất của axion, đơn cử như khối lượng của chúng.
Từ thập niên 70, các bộ óc lỗi lạc trong ngành vật lý đã cho rằng hạt axion tồn tại. Chúng hơi giống neutrino, được cho là tương tác với vật chất khác bằng lực yếu, do đó khó phát hiện.
Nếu như axion tồn tại ở một khoảng khối lượng nhất định, các chuyên gia có thể dự đoán rằng hành vi của chúng y hệt vật chất tối, góp phần tạo nên hiệu ứng bí ẩn của lực hấp dẫn.
Trên lý thuyết, axion nhanh chóng phân rã thành các cặp photon khi được đặt trong một từ trường đủ mạnh – điều này cũng khiến chúng “vô hình”. Dựa trên điều này, các nhà khoa học cho rằng nếu một khu vực có từ trường mạnh và có lượng ánh sáng lớn không giải thích được, thì khả năng cao axion vừa mới phân rã tại đây.
Sao neutron được cho là đang “phun” ra hạt axion – (Hình minh họa: NASA’s Goddard Space Flight Center).
Sao neutron thì nổi tiếng với từ trường cực mạnh. Về bản chất, chúng là lõi của những ngôi sao khổng lồ đã trải qua một vụ nổ siêu tân tinh, để rồi sụp xuống thành một khối vật chất nóng, mật độ vật chất cực dày đặc, và mang hành vi tương đồng một nguyên tử nhưng có kích cỡ vài chục cây số.
Từ trường tỏa ra từ sao neutron mạnh hơn từ trường Trái Đất hàng trăm triệu lần, mạnh tới mức triệt tiêu được sự sống.
Một biến thể khác của sao neutron có tên chuẩn tinh (pulsar), sở hữu tốc độ quay cực lớn và khi quay, hay cực của chuẩn tinh phóng ra những chùm bức xạ vô tuyến hùng mạnh. Các nhà khoa học so sánh những chùm tia này với ánh sáng phát ra từ một ngọn hải đăng, thậm chí để xuất sử dụng chuẩn tinh như những “hải đăng không gian” cho những chuyến du hành sau này.
Minh họa chuẩn tinh – Ảnh: ICRAR/University of Amsterdam]
Năm ngoái, nhà vật lý học Dion Noordhuis tới từ Đại học Amsterdam xuất bản một báo cáo cho rằng chuẩn tinh có thể tạo ra tới hơn 50 hạt axion mỗi phút. Và khi những hạt bí ẩn này rời khỏi ngôi sao, chúng sẽ di chuyển qua từ trường mạnh mẽ và biến thành photon; điều này khiến cho chuẩn tinh sáng hơn bình thường.
Khi phân tích một số chuẩn tinh, các nhà nghiên cứu lại không phát hiện ra lượng ánh sáng dư thừa (chứng tỏ axion không phân rã tại đây như nhận định nêu trên). Tuy nhiên, điều này không khẳng định được rằng axion không tồn tại quanh chuẩn tinh, có lẽ đã có giới hạn gì đó khiến tín hiệu từ axion không được rõ.
Trong phần tiếp theo của nghiên cứu trên, các nhà khoa học nhận định axion bị kẹt trong từ trường mạnh đến vậy sẽ tỏa ra tín hiệu. Theo thời gian, có lẽ phải tới hàng triệu năm, axion sẽ tụ tập gần chuẩn tinh, tồn tại song son với sao neutron và đồng thời, tỏa sáng nhẹ nhàng như một lớp màng phủ lấy bề mặt ngôi sao.
Nếu như những đám mây axion này thực sự tồn tại, thì chúng sẽ xuất hiện trên đại đa số sao neutron. Chúng cũng sẽ có mật độ lớn, đến mức sinh ra những tín hiệu phát hiện được.
Đến giờ, khoa học vẫn chưa rõ chúng có thể phát ra tín hiệu gì, và mới chỉ có 2 giả thuyết khả thi.
Đầu tiên, 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. Ta không biết con số chỉ khối lượng là bao nhiêu, nhưng giới hạn phổ có thể đem lại những ước tính ban đầu.
Khả năng thứ hai, tín hiệu sẽ xuất hiện khi sao neutron chết, nó sẽ nổ tung và ngừng phát xạ. Thuận tự nhiên, quá trình này thường kéo dài tới hàng trăm triệu năm, và giới thiên văn chưa phát hiện ra ngôi sao neutron nào như vậy. Theo lời chuyên gia, khả năng này khả thi hơn.
Còn về phần ánh sáng thừa trở thành yếu tố nhận biết hạt axion, hiện giới khoa học cũng chưa khám phá ra dấu vết cho thấy những đám mây axion thực sự tồn tại quanh các sao neutron. Tuy nhiên, điều này lại giúp các nhà nghiên cứu biết được những giới hạn mà tại đó, axion có thể hình thành.
Những nghiên cứu này giúp ngành thiên văn học hiểu hơn về thứ hạt bí ẩn, đồng thời cung cấp những chỉ số mới, cách thức mới để giúp phát hiện và đo đạc axion (nếu chúng thực sự tồn tại).
Nghiên cứu đã được đăng tải trên Physical Review X.