Hình ảnh Hubble mới tiết lộ chi tiết chưa từng thấy về va chạm sao neutron


Trở lại vào tháng 3, các nhà thiên văn học đã hướng Kính viễn vọng Không gian Hubble vào một điểm xa trong không gian nơi hai ngôi sao neutron va chạm. Sử dụng con mắt khổng lồ của Hubble, họ nhìn chằm chằm vào điểm xa xôi đó trong 7 giờ, 28 phút và 32 giây trong suốt sáu quỹ đạo của kính viễn vọng quanh Trái đất. Đó là lần phơi sáng lâu nhất từng được tạo ra từ vị trí va chạm, điều mà các nhà thiên văn học gọi là hình ảnh "sâu nhất". Nhưng phát súng của họ, được thực hiện hơn 19 tháng sau khi ánh sáng từ vụ va chạm tới Trái đất, đã không thu được bất kỳ tàn dư nào của vụ sáp nhập sao neutron. Và đó là tin tuyệt vời.

Câu chuyện này bắt đầu bằng một sự chao đảo vào ngày 17 tháng 8 năm 2017. Một sóng hấp dẫn, đã truyền 130 triệu năm ánh sáng trong không gian, chen lấn các tia laser trong Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế tia laser (LIGO), máy dò sóng hấp dẫn kéo dài quả địa cầu. Tín hiệu đó theo một mô hình, một trong đó nói với các nhà nghiên cứu rằng đó là kết quả của sự hợp nhất của hai ngôi sao neutron – sự hợp nhất ngôi sao neutron đầu tiên từng được phát hiện. Các máy dò sóng hấp dẫn không thể cho biết sóng phát ra từ hướng nào, nhưng ngay khi tín hiệu đến, các nhà thiên văn học trên toàn thế giới đã hành động, săn lùng bầu trời đêm để tìm nguồn gốc của vụ nổ. Họ sớm tìm thấy nó: một điểm ở vùng ngoại ô của một thiên hà có tên NGC4993 đã sáng lên với "kilonova" của vụ va chạm – một vụ nổ lớn ném vật chất phóng xạ phân rã nhanh chóng vào không gian trong một màn hình rực rỡ.

Liên quan: 8 cách bạn có thể thấy Einstein Thuyết thuyết tương đối trong cuộc sống thực

Vài tuần sau, NGC4993 vượt qua mặt trời và không xuất hiện trở lại cho đến khoảng 100 ngày sau khi có dấu hiệu va chạm đầu tiên. Vào thời điểm đó, kilonova đã mờ dần, cho thấy "hậu quả" của sự hợp nhất sao neutron – một hiện tượng mờ nhạt nhưng kéo dài hơn. Trong khoảng thời gian từ tháng 12 năm 2017 đến tháng 12 năm 2018, các nhà thiên văn học đã sử dụng Hubble để quan sát hậu quả 10 lần khi nó từ từ mờ dần. Tuy nhiên, hình ảnh mới nhất này cho thấy không có hậu quả có thể nhìn thấy hoặc các dấu hiệu khác của vụ va chạm, có thể là hình ảnh quan trọng nhất.

"Chúng tôi đã có thể tạo ra một hình ảnh thực sự chính xác và nó đã giúp chúng tôi nhìn lại 10 hình ảnh trước đó và tạo ra một chuỗi thời gian thực sự chính xác", Wen-fai Fong, nhà thiên văn học tại Đại học Tây Bắc, người đứng đầu nỗ lực chụp ảnh mới nhất này cho biết.

"Chuỗi thời gian" đó lên tới 10 bức ảnh rõ ràng về hậu quả phát triển theo thời gian. Hình ảnh cuối cùng của loạt ảnh, cho thấy điểm đó trong không gian mà không có bất kỳ hào quang nào, cho phép chúng quay trở lại các hình ảnh trước đó và trừ đi ánh sáng từ tất cả các ngôi sao xung quanh. Với tất cả những ánh sao đã bị loại bỏ, các nhà nghiên cứu đã để lại những bức ảnh vô cùng chi tiết chưa từng thấy về hình dạng và sự tiến hóa của hào quang theo thời gian.

Đây là những gì mười hình ảnh trước đó trông giống như hình ảnh của Fong bị trừ khỏi chúng.

(Tín dụng hình ảnh: Wen-fai Fong et al, Kính viễn vọng Không gian Hubble / NASA)

Bức ảnh xuất hiện không giống bất cứ thứ gì chúng ta nhìn thấy nếu chúng ta nhìn lên bầu trời đêm chỉ bằng đôi mắt của mình, Fong nói với Live Science.

"Khi hai ngôi sao neutron hợp nhất, chúng tạo thành một vật thể nặng – hoặc là một ngôi sao neutron lớn hoặc một lỗ đen nhẹ – và chúng quay rất nhanh. Và vật chất đang bị đẩy ra dọc theo các cực", cô nói.

Vật liệu đó cất cánh với tốc độ phồng rộp ở hai cột, một cột hướng lên từ cực nam và một từ phía bắc, cô nói. Khi nó di chuyển ra khỏi vị trí va chạm, nó va chạm với bụi và các mảnh vụn không gian giữa các vì sao khác, chuyển một phần động năng của nó và làm cho vật liệu liên sao đó phát sáng. Các năng lượng liên quan là dữ dội, Fong nói. Nếu điều này xảy ra trong hệ mặt trời của chúng ta, nó sẽ vượt xa mặt trời của chúng ta.

Liên quan: Nhật thực năm 1919 của Einstein

Phần lớn điều đó đã được biết đến từ các nghiên cứu lý thuyết và quan sát trước đó về hậu quả, nhưng tầm quan trọng thực sự của công việc của Fong đối với các nhà thiên văn học là nó cho thấy bối cảnh xảy ra vụ va chạm ban đầu.

"Đây là một công việc tốt. Nó cho thấy những gì chúng tôi đã nghi ngờ trong công việc của mình từ những quan sát trước đây của Hubble", Joseph Lyman, nhà thiên văn học tại Đại học Warwick ở Anh, người đứng đầu một nghiên cứu trước đó về hậu quả nói. "Ngôi sao neutron nhị phân không hợp nhất bên trong cụm sao cầu."

Các cụm sao cầu là khu vực dày đặc không gian với các ngôi sao, Lyman, người không tham gia vào nỗ lực mới, nói với Live Science. Sao neutron rất hiếm, và nhị phân sao neutron, hoặc cặp sao neutron quay quanh nhau, thậm chí còn hiếm hơn. Ngay từ sớm, các nhà thiên văn học đã nghi ngờ rằng việc hợp nhất các nhị phân sao neutron sẽ có khả năng xuất hiện nhiều nhất trong các vùng không gian nơi các ngôi sao đang co cụm và xoay quanh nhau một cách điên cuồng. Lyman và các đồng nghiệp của mình, phân tích dữ liệu Hubble trước đó, đã đưa ra một số bằng chứng có thể không phải là trường hợp. Hình ảnh của Fong cho thấy không có cụm sao hình cầu nào được tìm thấy, dường như xác nhận rằng, ít nhất là trong trường hợp này, một vụ va chạm giữa sao neutron không cần một cụm sao dày đặc để hình thành.

Một lý do quan trọng để nghiên cứu những hậu quả này, Fong nói, là nó có thể giúp chúng ta hiểu được các vụ nổ tia gamma ngắn – những vụ nổ bí ẩn của tia gamma mà các nhà thiên văn học thỉnh thoảng phát hiện trong không gian.

"Chúng tôi nghĩ rằng những vụ nổ này có thể là hai ngôi sao neutron hợp nhất", cô nói.

Sự khác biệt trong những trường hợp đó (trên đỉnh các nhà thiên văn học không phát hiện bất kỳ sóng hấp dẫn nào sẽ xác nhận bản chất của chúng) là góc của sự hợp nhất với Trái đất.

Trái đất đã có một cái nhìn bên lề về hậu quả của sự hợp nhất này, Fong nói. Chúng ta đã thấy sự gia tăng ánh sáng và sau đó mờ dần theo thời gian.

Nhưng khi vụ nổ tia gamma ngắn xảy ra, cô nói: "Giống như bạn đang nhìn xuống cái thùng lửa."

Một trong những máy bay phản lực thoát khỏi vật chất trong những trường hợp đó, cô nói, được chỉ vào Trái đất. Vì vậy, trước tiên chúng ta thấy ánh sáng từ các hạt chuyển động nhanh nhất, di chuyển với tốc độ ánh sáng TK, như một tia sáng ngắn của tia gamma. Sau đó, điểm sáng sẽ từ từ mờ dần khi các hạt chuyển động chậm hơn đến Trái đất và trở nên hữu hình. (Tuy nhiên, chưa có ai khớp với vụ nổ tia gamma ngắn với chữ ký sóng hấp dẫn của sự hợp nhất sao neutron.)

Bài báo mới này, được công bố trên Tạp chí Vật lý thiên văn, không xác nhận lý thuyết đó. Nhưng nó cung cấp cho các nhà nghiên cứu nhiều tài liệu hơn những gì họ từng có trước đây để nghiên cứu về hậu quả của việc sáp nhập sao neutron.

"Đó là một quảng cáo tốt cho tầm quan trọng của Hubble trong việc tìm hiểu các hệ thống cực kỳ mờ nhạt này", Lyman nói, "và đưa ra manh mối về những khả năng nào sẽ được kích hoạt bởi [the James Webb Space Telescope], "sự kế thừa lớn cho Hubble dự kiến ​​sẽ được triển khai vào năm 2021.

Ban đầu được xuất bản trên Khoa học sống.