PULSAR, MỘT ĐỒNG HỒ THIÊN NHIÊN CHÍNH XÁC
Sau khi sao bùng nổ, khí và bụi bay ra ngoài trong khi lõi sao co lại và tạo ra một sức ép rất mạnh làm cho êlêctrôn thấm vào hạt nhân và kết hợp với prôtôn để thành nơtrôn. Trung tâm lõi sao nơtrôn biến thành chất “siêu lỏng” không nhớt. Sao nơtrôn có đường kính vài chục kilômét nhưng nặng bằng khoảng Mặt trời. Một centimét khối vật chất trong sao nặng hàng tỷ tấn! Một số các nhà vật lý thiên văn, dựa trên lý thuyết, đã tiên đoán rằng có khả năng có loại sao này trung tâm các sao siêu mới. Từ trường cũng bị ép sau khi sao sụp đổ và trở nên rất lớn, khoảng 1012 gauss (Gaoxơ), tức là bằng một nghìn tỷ lần từ trường trên Trái đất. Sao nơtrôn tự quay rất nhanh, tốc độ có thể lớn tới 640 vòng một giây! Chu kỳ quay rất ngắn từ vài phần nghìn đến một giây đồng hồ, lôi theo cả từ trường. Trục của từ trường không cùng hướng với trục quay của sao. Sao nơtrôn quay và tạo ra một điện trường làm tăng tốc độ các hạt mang điện tích như êlêctrôn là iôn lên gần bằng tốc độ ánh sáng. Những hạt này tập trung ở hai vùng cực của sao và bị bẫy trong từ trường. Bức xạ phát ra trong một chóp nón có góc rất nhỏ theo hướng của trục từ trường. Tia bức xạ quay theo sao như một hải đăng phát ra từng xung. Mỗi khi tia bức xạ hướng về phía Trái đến thì ta có thể thu được những đợt xung vào Viễn kinh vô tuyến. Thiên thể này được gọi là pulsar (punxa), nghĩa là sao xung (pulsating star).
Pulsar đầu tiên được tình cờ phát hiện năm 1967 bởi hai nhà vật lý thiên văn người Anh, cô Bell (Benlơ) là ông thầy của cô là ông Hewish (Hiuysơ) làm việc tại Đại học Cambridge (Cambrigiơ). Bức xạ vô tuyến họ thu được trên bước sóng 3,7 mét phát ra từ xung có nhịp rất đều. Mới đầu một số nhà khoa học nghi đó là thông điệp của một nền văn minh nào trong Vũ trụ! Sau một thời gian tìm hiểu, nguyên nhân huyền bí của bức xạ pulsar đã được giải thích bằng cơ chế phát xạ của sao nơtrôn. Pulsar đầu tiên được đặt tên là CP 1919, (CP chính là chữ viết tắt của chữ “Cambridge pulsar”, còn những con số tọa độ của nó trên vòm trời). Giải thưởng Nobel năm 1974 đã được trao cho nhà thiên văn Hiuysơ. Lúc đó, khoảng một trăm pulsar đã được phát hiện bởi các nhà thiên văn trên thế giới. Tuổi của pulsar chỉ vào khoảng vài triệu năm nên những Thiên thể này tương đối trẻ so với Mặt trời (5 tỷ năm). Pulsar quay chậm dần vì phải dùng một phần năng lượng quay để phát xạ. Pulsar ở trung tâm sao siêu mới, vết tinh của vụ sao nổ năm 1054 tạo ra. Tinh vân Cua, mỗi tháng chỉ quay chậm đi một phần triệu giây. Nếu ta loại trừ độ chậm do cơ chế phát xạ, ta có thể đo được chu kỳ quay thực chất của pultar. Chu kỳ này rất ổn định nên pulsar có một nhịp quay chính xác hơn cả những đồng hồ nguyên tử dùng để làm mẫu, giờ, chỉ sau vài phần trăm triệu giây (10-5 giây) một năm.
Cũng trong mùa hè năm 1974, một nhà thiên văn vô tuyến người Mỹ Taylor (Tailo) cùng một sinh viên của ông là Hulsê (Hơnsơ) dùng kính vô tuyến của Đài thiên văn Arecibo (Arêxibô) để nghiên cứu về pulsar. Trong vùng sóng centimét thì kính này lớn nhất toàn cầu. Cả một lòng chảo (vùng trũng) hình cái bát có đường kính 300 mét ở miền núi đảo Poctô Ricô đã được lát bằng một mạng lưới sắt để làm thành một ăngten khổng lồ. Hai nhà thiên văn Taylor và Hulse dùng vô tuyến viễn kính này phát hiện được một pulsar rất đặc biệt trong chòm sao Thiên Ưng (Aquila-loại chim ưng để đi săn). Pulsar đặt tên là PSR 1913 + 16 có chu kỳ 59 mili giây, tức là pulsar quay được 17 vòng mỗi giây đồng hồ. Pulsar này khác với những pulsar đã phát hiện ra trước ở chỗ là nhịp của xung thay đổi, tăng giảm tuần hoàn. Hai nhà khoa học khẳng định rằng pulsar này có một ngôi sao đồng hành, tuy không quan sát thấy nhưng gián tiếp xuất hiện bằng cách làm nhiễu chu kỳ của pulsar. Trong hệ sao đôi, sao nơtrôn của pulsar quay chung quanh một sao nơtrôn khác, như một cặp người nhảy múa. Hai sao quay chung quanh nhau được một vòng trong 7 giờ 45 phút. Những hệ sao đôi có rất nhiều trong dải Ngân hà. Tuy nhiên, sự phát hiện ra một số hệ sao đôi trong đó sao đồng hành là một pulsar là một sự kiện bất ngờ. Vì như ta đã biết, Pulsar được tạo ra do một vụ nổ (sao siêu mới kết thúc cuộc đời của ngôi sao. Ta khó hình dung được hệ sao đôi có thể tồn tại sau vụ nổ mà không bị phá vỡ. Hai nhà khoa học nhận thức rằng sự phát hiện của họ vô cùng quan trọng, hệ sao pulsar đôi này có khả năng là một thí nghiệm thiên nhiên hiếm có để xác minh thuyết tương đối rộng của Einslein. Vì trường hấp đẫn của hệ sao đôi này rất dễ phát hiện được. Sau khi theo dõi quan sát liên tục pulsar PSR 1913 + 16 và kiên nhẫn thu lượm số liệu trong 14 năm, họ đã tính được rất chính xác những đặc tính quỹ đạo cũa của pulsar và sao nơtrôn đồng hành và khối lượng của chúng. Pulsar và sao nơtrôn đồng hành nặng xấp xỉ bằng nhau với khối lượng bằng 1,4 khối lượng Mặt trời. Bức xạ của sao đồng hành không thu được vì Trái đất không ở trong hình nón phát xạ của nó. Sự thay đổi chu kỳ khi pulsar chuyển động chung quanh sao nơtrôn là do tương tác rất chặt chẽ giữa hai Thiên thể đặc và nặng trong một trường hấp dẫn rất lớn. Trong trường hợp này, hệ sao đôi phát ra ''bức xạ hấp dẫn'' (cũng gọi là “sóng hấp dẫn”). Theo, thuyết tương đối của Einstein, khi một vật thể nặng chuyển động trong một trường hấp dẫn thì phát bức xạ hấp dẫn. Vì pulsar phát sóng hấp dẫn nên mất năng lượng, quỹ đạo của pulsar và sao nơtrôn nhỏ dần. Hai thiên thể ngày càng quay gần nhau và chu kỳ của pulsar chuyển động trên quỹ đạo ngày càng ngắn đi. Theo thuyết tương đối, nếu pulsar phát sóng hấp dẫn thì mỗi năm chu kỳ phải giảm 75 miligiây (0,075 giây) đúng như kết quả quan sát được. Lần đầu tiên, sóng hấp dẫn tiên đoán bởi thuyết tương đối đã được phát hiện, tuy một cách gián tiếp, trong một phòng thí nghiệm Vũ trụ''. Sóng hấp dẫn rất yếu nên chưa thu được trực tiếp trong các phòng thí nghiệm trên Trái đất, mặc dù các nhà vật lý đã dùng những máy móc tối tân và quan sát lâu năm. Mười chín năm sau khi phát hiện ra pulsar đôi PSR 1913 + 16, hai nhà vật lý thiên văn Hulse và Taylor đã được trao tặng giải Nobel vật lý năm 1993, thưởng cho công trình nghiên cứu của hai ông về lực hấp dẫn trong Vũ trụ.
Năm 1982, một loạt pulsar mới có chu kỳ quay rất ngắn, khoảng một phần trăm nghìn giây, gọi là ''pulsar miligiây'' đã được phát hiện. Pulsar này già hơn những pulsar có chu kỳ dài, tuổi vào khoảng 100 triệu năm. Pulsar miligiây có chu kỳ ngắn nhất là 1,5578 miligiây tức là tốc độ tự quay của nó là 642 vòng một giây! Những pulsar này lúc trước thuộc những hệ sao đôi. Pulsar dần dần hút hết khí quyển của sao đồng hành. Hiện tượng này có thể ví như một luồng gió lốc thổi và làm tăng tốc độ quay của pulsar, nên chuỳ quay giảm xuống. Quỹ đạo của pulsar và sao hẹp dần và sau cùng sao đồng hành bị ''nuốt'' bởi pulsar. Chu kỳ quay của pulsar miligiây ổn định hơn cả những đồng hồ nguyên tử và là những mẫu giờ rất chính xác. Cũng vì lý do này mà các nhà thiên văn có ý định dùng loại pulsar miligiây để phát hiện sóng hấp dẫn từ Vũ trụ phát ra. Vì khi sóng hấp dẫn truyền tới vị trí của pulsar thì chu kỳ pulsar bị nhiễu và thay đổi. Pulsar miligiây là một dụng cụ thiên nhiên dùng để phát hiện sóng hấp dẫn. Hiện nay, một số nhà thiên văn đang cố gắng tạo ra một hệ thống quốc tế đo giờ chính xác để thực hiện thí nghiệm này. Sóng hấp dẫn còn được phát ra chung quanh những lỗ đen và dây Vũ trụ nơi trường hấp dẫn rất lớn.
