Ngày 17 tháng 8 năm nay, Mẹ thiên nhiên đã trao cho các nhà thiên văn học một món quà đặc biệt hơn bất cứ thứ gì mà họ có thể tưởng tượng: sóng hấp dẫn từ hai sao neutron chuyển động xoắn vào nhau và sáp nhập, kéo theo một vụ bùng nổ tia gamma. Sự kiện kép đặc biệt này vừa được công bố hôm qua sau 2 tháng với rất nhiều tin đồn về nó. Nó chứng minh một lý thuyết đã có từ lâu về một loại sự kiện dữ dội trong vũ trụ và mở ra một kỷ nguyên mới có tính cách mạng về thiên văn học đa nguồn tin.
Chuỗi sự kiện này được bắt đầu lúc 19h41 ngày 17 tháng 8 tính theo giờ Việt Nam, một đợt sóng hấp dẫn đi qua và thu được bởi máy dò Virgo đặt gần Pisa, Italia. Một làn sóng y như vậy đi qua máy dò LIGO đặt tại Livingston, Louisiana, Mỹ chỉ sau đó 22 mili-giây. 3 mili-giây sau đó nữa, máy LIGO ở Hanford, Washington cũng phát hiện ra sóng này.
Các thiết bị của LIGO và Virgo ghi nhận được một đợt sóng kéo dài tới 100 giây - dài hơn nhiều so với các phát hiện trước đó. Độ dài thời gian, biên độ và tần số của sóng có đầy đủ các đặc điểm mà các nhà lý thuyết trông đợi ở vụ sáp nhập hai sao neutron sau quá trình di chuyển xoắn vào nhau.
Hai sao neutron này có khối lượng khoảng 1,5 và 1,1 lần khối lượng Mặt Trời. Khoảng 1 hoặc 2 phần trăm của khối lượng đó đã được ném vào không gian trong quá trình sáp nhập. Kết quả của vụ sáp nhập có thể là một lỗ đen với khối lượng khoảng 3 lần khối lượng Mặt Trời, mặc dù LIGO chưa thu được bằng chứng về việc đã có một lỗ đen hình thành. Nếu đúng là có một lỗ đen đã ra đời, nó sẽ là lỗ đen nhẹ nhất từng được biết tới.
"Khám phá này thật tuyệt diệu," Chad Hanna ở Đại học bang Pennsylvania và là thành viên nhóm nghiên cứu LIGO nói. "Chúng tôi đã hi vọng thấy được một vụ sáp nhập sao neutron từ rất lâu, và chúng tôi biết rằng cuối cùng nó cũng sẽ xảy ra. Nhưng thật đặc biệt khi nó tới sớm như vậy."
Quan sát ánh sáng
Đây là một phát hiện rất quan trọng. Nó là lần đầu tiên chúng ta phát hiện ra sóng hấp dẫn từ sự sáp nhập của các sao neutron. Nó xảy ra rất gần thời điểm hôm mùng 3 tháng 10 vừa qua khi mà các nhà sáng lập của LIGO là Rainer Weiss, Kip Thorne và Barry Barish nhận giải Nobel Vật lý 2017 vì việc lần đầu tiên phát hiện ra sóng hấp dẫn - những gợn sóng của cấu trúc không-thời gian được dự đoán từ năm 1915 bởi Albert Einstein trong thuyết tương đối rộng của ông.
Nhưng điều thực sự làm cho phát hiện mới này trở nên đặc biệt là sóng hấp dẫn trong sự kiện này đi kèm với một nguồn ánh sáng rõ nét. Cả 4 lần phát hiện sóng hấp dẫn trước đây của LIGO đều là những sóng tới từ những vụ sáp nhập của hai lỗ đen - những vật thể hoàn toàn không phát ra bất cứ loại ánh sáng nào có thể quan sát được.
Ngược lại, các sao neutron là những vật thể có kích thước cỡ một thành phố với vật chất bị nén cực mạnh, và sự sáp nhập của chúng là rất dữ dội. Đó chính xác là thứ đã được quan sát thấy. Chỉ 1,7 giây sau vụ sáp nhập ngày 17 tháng 8, kính thiên văn không gian gamma Ferrmi của NASA và vệ tinh INTEGRAL của châu Âu đã xác định được một vụ nổ tia gamma (GRB) kéo dài gần 2 giây từ cùng vị trí đó trên bầu trời. Cả hai nhóm nghiên cứu Fermi và LIGO lập tức thông báo cho các nhà thiên văn khắp thế giới để tìm kiếm ánh sáng này.
Rất nhiều kính thiên văn không gian cũng như mặt đất khi đó đã được tập trung vào sự kiện. Trong vòng 10 đến 11 giờ sau vụ sáp nhập, kính thiên văn 4 mét Blanco ở Chile và kính 1 mét Swope đã độc lập xác định được ánh sáng quang học phát ra từ thiên hà elip NGC 4993, phía Nam của chòm sao Hydra.
Ở khoảng cách 130 triệu năm ánh sáng, đây là một trong những GRB gần nhất từng được quan sát. Kính thiên văn không gian Hubble, đài quan sát tia X Chandra, kính cực lớn VLT, tổ hợp kính VLA, và rất nhiều kính thiên văn khác đã nghiên cứu ánh sáng này qua quang phổ điện từ thu được - một chiến dịch quan sát lớn cấp quốc tế. Tổng cộng đã có 70 kính thiên văn trên thế giới quan sát được ánh sáng này.
Amber Stuver ở Đại học Villanova, một thành viên của nhóm nghiên cứu LIGO, nhấn mạnh tầm quan trọng của thiên văn đa nguồn tin: "Tất cả những quan sát này cho chúng ta một bức tranh hoàn thiện hơn về vụ sáp nhập sao neutron và những gì sau đó so với việc chỉ thu được riêng sóng hấp dẫn, hoặc chỉ ánh sáng."
Từ những năm 1990, các nhà lý thuyết đã dự đoán rằng một số hay thậm chí hầu hết những GRB ngắn (kéo dài khoảng 2 giây hoặc ngắn hơn) được bắt nguồn từ sự va chạm của các sao neutron. Khám phá này chứng minh rõ ràng rằng họ đã đúng.
Theo lý thuyết, lực triều cực mạnh xé vật chất ra khỏi cả hai ngôi sao vào ngay trước khi chúng sáp nhập. Vụ sáp nhập tạo ra một lỗ đen mà sau đó sẽ nuốt lấy hầu hết vật chất xung quanh. Năng lượng từ sự quay của lỗ đen đẩy một phần vật chất này (phần vật chất chưa rơi vào lỗ đen) theo hai hướng đối nhau tạo thành hai dòng vật chất chuyển động với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Khi vật chất tốc độ cao này va chạm với vật chất có vận tốc thấp hơn, nó gây ra một cú shock tạo thành một vụ bùng nổ năng lượng dưới dạng tia gamma kéo dài vài giây - đó là thứ mà Fermi và INTEGRAL đã quan sát được.
Các GRB ngắn là một trong những vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ, chỉ trong vài giây chúng tạo ra năng lượng tương đương với tổng năng lượng mà Mặt Trời giải phóng ra trong suốt cuộc đời 10 tỷ năm của nó. Nhưng chúng vẫn có phần ít năng lượng hơn so với những người anh em của mình - những vụ nổ xuất phát từ sự bùng nổ cuối đời của các sao nặng (những vụ nổ supernova).
Việc các vệ tinh quan sát thấy GRB gần như cùng lúc với sự sáp nhập của các sao neutron hỗ trợ mạnh mẽ cho dự đoán của Einstein cho rằng sóng hấp dẫn di chuyển với vận tốc ánh sáng. Lý thuyết dự đoán rằng dòng vật chất làm phát sinh tia gamma chỉ vài giây sau vụ sáp nhập của hai sao neutron, và 1,7 giây chênh lệch giữa sóng hấp dẫn và sóng điện từ (ánh sáng) phù hợp với lịch trình của chuỗi sự kiện nếu như cả hai sóng này di chuyển với cùng vận tốc.
Theo Julie McEnery ở Trung tâm không gian Goddard của NASA thì "Tia gamma và sóng hấp dẫn đã đi quãng đường 130 triệu năm ánh sáng để tới Trái Đất cách nhau có 2 giây. Einstein đã lại qua được một kiểm tra nữa."
Peter Mészáros ở Đại học bang Pennsylvania, một trong những người đưa ra lý thuyết về các GRB cho biết: "Khoảng chênh lệch thời gian đó chính là điều chúng tôi trông đợi ở mô hình về các vụ nổ tia gamma. Dòng vật chất phải mất một khoảng thời gian nhất định để mở rộng ra trước khi nó có thể gây ra cú shock giải phóng tia gamma. Thời gian trễ này nằm trong phạm vi mà chúng tôi đã ước tính. Đây là một sự xác nhận tuyệt vời cho mô hình cơ bản về GRB."
Sự thống nhất giữa phát hiện của LIGO, GRB và các quan sát thiên văn kiểu truyền thống, kết hợp với dự đoán lý thuyết đã hoàn toàn loại bỏ những nghi ngờ dai dẳng về việc liệu có đúng là LIGO đã ghi nhận được sóng hấp dẫn cách đây 2 năm hay không.
Mô phỏng về sự sáp nhập của hai sao neutron
Một thành công vang dội
Cả 5 lần phát hiện sóng hấp dẫn của LIGO đều là những minh chứng tuyệt đẹp cho những dự đoán dựa trên thuyết tương đối rộng. Trong 4 lần sóng hấp dẫn thu được ở những vụ sáp nhập lỗ đen, các lỗ đen có khối lượng từ 8 đến 31 lần khối lượng Mặt Trời và vụ sáp nhập sau quá trình chuyển động xoắn gây ra sóng hấp dẫn được LIGO ghi nhận kéo dài từ 0,25 đến 1,5 giây. Vì các sao neutron có khối lượng nhỏ hơn nhiều so với các lỗ đen, pha xoắn cuối cùng và sáp nhập được quan sát hôm 17 tháng 8 đã gây ra sóng hấp dẫn kéo dài hơn và được LIGO ghi nhận trong khoảng 100 giây.
Trong 100 giây đó, các nhà thiên văn học đã thấy khoảng 1.500 vòng quỹ đạo của cặp sao neutron. Các nhà thiên văn học cho rằng hệ này có tuổi khoảng 11 tỷ năm. Hai sao neutron chỉ nằm cách nhau khoảng 320 km khi các nhà thiên văn bắt đầu quan sát thấy chúng.
Mặc dù chuỗi sự kiện gần như hoàn toàn khớp với dự đoán lý thuyết, sóng hấp dẫn vẫn yếu hơn một chút so với dự đoán về những vụ sáp nhập sao neutron ở khoảng cách 130 triệu năm ánh sáng. Đồng thời, bản thân GRB cũng giải phóng ít năng lượng hơn một chút so với lý thuyết. Các quan sát kết hợp gợi ý rằng chúng ta đã quan sát sự kiện này ở một góc khác, không phải trực diện, điều đó đã làm giảm lượng sóng và bức xạ thu được. Những bằng chứng tiếp đó cho thấy chính xác là dòng vật chất ném ra từ vụ sáp nhập không hướng về Trái Đất. Đài quan sát Chandra đã thu được tia X từ sự kiện này và đây là lần đầu tiên các nhà thiên văn phát hiện thấy tia X từ một sự kiện như vậy khi trục của nó không hướng về phía chúng ta.
Các nhà thiên văn học sẽ tiếp tục theo dõi ánh sáng phát ra sau vụ sáp nhập, một sự kiện được gọi là kilonova, cho tới khi nó hoàn toàn biến mất. Điều đó sẽ hé lộ cách mà vật chất được phóng ta tương tác với môi trường xung quanh. Việc này sẽ giúp các nhà thiên văn học hiểu hơn về vai trò của các kilonova đối với sự tạo thành các nguyên tố nặng trong vũ trụ như vàng hay bạch kim.
Rất nhiều nguyên tố nặng có thể đã được hình thành trong những vụ sáp nhập này; sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ cũng được cho rằng xảy ra trong quá trình dòng vật chất va chạm với môi trường xung quanh. Kilonova có thể giải thích sự phong phú của vàng và bạch kim trong vũ trụ mà không cần tới supernova. Các nguyên tố nặng này sau khi được hình thành cuối cùng lại kết hợp với những vật chất khác để tạo thành các sao và hành tinh (đó là lí do mà chúng ta có những nguyên tố này trên Trái Đất).
Edo Berger ở Đại học Harvard giải thích rằng các nhà thiên văn học đã nhìn thấy "dấn vân tay trực tiếp" của những nguyên tố nặng này trong dữ liệu từ các kính thiên văn ở Chile. Ông bổ sung rằng tổng khối lượng của các nguyên tố nặng mà kilonova này tạo ra tương đương với 16.000 lần khối lượng Trái Đất, trong đó có khoảng 10 lần khối lượng Trái Đất là vàng và bạch kim.
Khả năng phát hiện sóng hấp dẫn từ những vụ sáp nhập sao neutron là kết quả của nhiều thập kỷ nghiên cứu lý thuyết kết hợp với quá trình làm việc hăng say của đội ngũ hàng nghìn chuyên gia và kỹ sư.
Tuy vậy, phát hiện này cũng có một phần may mắn. Cặp máy dò LIGO đã thu được tín hiệu này chỉ 8 ngày trước khi chúng bước vào giai đoạn ngừng hoạt động vài tháng để nâng cấp, còn Virgo mới chỉ vừa được khởi động trước đó 16 ngày. Ngoài ra, cũng thật may là vụ sáp nhập này nằm trong phạm vi có thể ghi nhận của cả LIGO và Virgo. Trước đó, nhóm nghiên cứu LIGO đã dự định tăng gấp đôi độ nhạy của LIGO để có thể nhìn sâu hơn vào không gian để tìm kiếm các vụ sáp nhập sao neutron.
"Luôn có chút may mắn ở mỗi lần xác định được sóng hấp dẫn, vì chúng tôi không có cách nào dự đoán xem khi nào thì chúng sẽ tới," Stuver nói. "Vậy nên, đây đúng là một món quà. Thú thực, điều này còn hơn cả những gì tôi từng hi vọng. Và tôi cũng đã không trông đợi rằng lần đầu tiên quan sát sự sáp nhập của các sao neutron lại đi cùng với việc quan sát thấy ánh sáng. Chúng ta thực sự đang khởi đầu kỷ nguyên thiên văn học đa nguồn tin." (Multi-messenger astronomy).
Hướng tới tương lai
Ánh sáng quang học phát ra từ sự kiện đạt cấp 17 (theo phân loại độ sáng của sao và các thiên thể, cấp càng thấp thì càng sáng. Mắt người thường chỉ nhìn thấy tối đa là cấp 6) - đủ để các nhà thiên văn nghiệp dư có thể phát hiện qua các kính thiên văn của họ. Mặc dù sự kiện này kết thúc rất nhanh, nhưng nó đã mở ra một cánh cửa mới để các nhà thiên văn nghiệp dư đóng vai trò nào đó trong những sự kiện sóng hấp dẫn sẽ được biết tới trong tương lai.
Hanna đặt nghi vấn rằng có thể chúng ta đã đánh giá thấp cường độ xảy ra các vụ sáp nhập sao neutron trong vũ trụ. Nếu đúng vậy, chúng ta có thể trong đợi thêm nhiều phát hiện hơn nữa của của LIGO trong những năm tới đây và kèm theo đó là các GRB. Hơn thế nữa, một số GRB ngắn có thể là kết quả của sáp nhập giữa một lỗ đen và một sao neutron, như vậy LIGO và Virgo có thể đóng vai trò quan trọng trong việc xác định xem những GRB này có gì khác so với GRB sinh ra từ sáp nhập của hai sao neutron.
"Tôi hi vọng rằng thay vì may mắn, chúng tôi sẽ có một mẫu để theo dõi, một chỉ dẫn cho những gì diễn ra," Hanna nói.
David Shoemaker ở MIT (Viện công nghệ Massachusetts) cho biết LIGO sẽ nghỉ 1 năm để nâng cấp, tăng độ nhạy của các máy dò lên gấp đôi và qua đó tăng thể tích không gian mà chúng có thể theo dõi lên gấp 8 lần.
Vì thế, vào lúc này, Hanna và các đồng nghiệp của ông ở các nhóm nghiên cứu LIGO và Virgo thấy thực sự ngạc nhiên với chính khám phá mới nhất của mình. "Làm sao bạn có thể tượng tượng rằng chúng tôi đang đo được sự vận động của những vật thể rất nhỏ ở cách chúng ta tới 130 triệu năm ánh sáng? Sự thật rằng LIGO đã làm được điều đó là rất đáng kinh ngạc." - Hanna nói.
Bryan
Theo Astronomy
---
Các bài khác nên tham khảo:
