light echoes

Bức ảnh này thể thiện một tập hợp các vòng tròn ngoạn mục bao quanh một lỗ đen, được chụp bởi Đài quan sát Chandra X-ray của NASA và Đài quan sát Neil Gehrels Swift. Những bức ảnh chụp tia X của những vòng cung khổng lồ này tiết lộ thông tin về bụi khí trong thiên hà của chúng ta, với cùng những nguyên tắc tương tự đối với tia X sử dụng trong phòng khám của bác sĩ và cổng an ninh sân bay.

Lỗ đen này là một phần của hệ sao kép được gọi là V404 Cygni, nằm cách Trái đất 7.800 năm ánh sáng. Lỗ đen này đang kéo vật chất ra khỏi một sao đồng hành với nó – có khối lượng khoảng một nửa Mặt Trời – vào một đĩa bao quanh một vật thể vô hình. Vật thể này phát ra các tia X, vì vậy các nhà thiên văn gọi những hệ như thế này là “hệ sao kép tia X”

Vào ngày 5 tháng 6 năm 2015, Đài thiên văn Swift phát hiện ra một vụ nổ tia X từ V404 Cygni. Vụ nổ rạo ra những vòng năng lượng cao từ một hiện tượng được biết đến được gọi là những dội lại của ánh sáng. Thay vì những sóng âm dội ra từ hẻm núi, những ánh sáng dội ra xung quanh V404 Cygni được tạo ra khi một vụ nổ tia X từ lỗ đen bị dội lại từ các đám mây bụi nằm khoảng giữa V404 Cygni và Trái đất. Bụi này không giống như bụi trong nhà mà giống như khói và bao gồm các hạt rắn nhỏ.

Trong bức ảnh tổng hợp này, những tia X được chụp từ Chandra (màu xanh lam nhạt) được kết hợp với dữ liệu quang học từ kính thiên văn Pan-STARRS đặt ở Hawaii thể hiện những ngôi sao trong trường nhìn. Bức ảnh này chứa 8 vòng đồng tâm riêng biệt. Mỗi vòng được tạo ra bởi những tia X từ V404 Cygni quan sát được vào năm 2015 phản chiếu từ những đám mây bụi vũ trụ khác nhau. (Minh họa của họa sĩ giải thích cách mà những vòng này được nhìn thấy bởi Chandra và Swift. Để đơn giản hóa hình ảnh, minh họa chỉ thể hiện 4 vòng thay vì 8).

Một nhóm những nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi Sebastian Heinz thuộc đại học Wisconsin ở Madison đã phân tích dữ liệu từ 50 quan sát về hệ này dựa trên các quan sát của Đài thiên văn Swift vào năm 2015 trong khoảng thời gian từ ngày 30 tháng 6 tới ngày 25 tháng 8, và những quan sát của Đài quan sát Chandra được thực hiện từ ngày 11 đến ngày 25 tháng 7 năm 2015. Đó là một sự kiện sáng tới mức khiến những người điều hành Chandra phải phải hướng cho V404 Cygni vào giữa các máy dò với mục đích để một vụ bùng phát ánh sáng khác tương tự như vậy sẽ không làm hỏng thiết bị.

Những vòng này không chỉ cho các nhà thiên văn biết về hoạt động của lỗ đen mà còn về cảnh quan giữa V404 Cygni và Trái đất. Ví dụ, đường kính của những vòng này quan sát ở dải tia X hé lộ khoảng cách tới các đám mây bụi vũ trụ mà ánh sáng bị dội ra. Nếu đám mây này ở gần Trái đất hơn, vòng cung này sẽ hiện ra lớn hơn và ngược lại. Những tiếng vọng ánh sáng xuất hiện dưới dạng những vòng tròn hẹp chứ không phải là những vòng cung hoặc quầng sáng rộng bởi vì vụ nổ tia X kéo dài chỉ trong một khoảng thời gian tương đối ngắn.

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng những vòng tròn này để thăm dò các đặc tính của những đám mây bụi. Họ so sánh phổ tia X hay độ sáng của các tia X trên một dải bước sóng với các mô hình máy tính về bụi với các thành phần khác nhau. Các thành phần khác nhau của bụi dẫn đến lượng khác nhau của những tia X năng lượng thấp bị hấp thụ và ngăn cản khi chúng được phát hiện bởi Đài quan sát Chandra. Điều này tương tự nguyên tắc là những phần trên cơ thể chúng ta hoặc hành lý hấp thụ lượng tia X khác nhau, từ đó cung cấp thông tin về cấu trúc và thành phần của chúng.

Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng bụi vũ trụ này rất có thể chứa hỗn hợp than chì và các hạt silicat. Thêm vào đó, bằng việc phân tích những vòng phía bên trong từ Đài quan sát Chandra, họ đã khám phá ra rằng mật độ của những đám mây bụi này không đồng nhất về mọi hướng. Các nghiên cứu trước đây cũng đã giả định rằng chúng không hề đồng nhất về mọi hướng như vậy.

Một bài báo đã mô tả các kết quả nghiên cứu về V404 Cygni được ấn hành trên tạp chí The Astrophysical Journal xuất bản ngày 1 tháng 7 năm 2016. Các tác giả của nghiên cứu này là Sebastian Heinz, Lia Corrales (Đại học Michigan); Randall Smith (Trung tâm vật lý thiên văn | Havard & Smithsonian); Niel Brandt (Đại học Bang Pennsylvania); Peter Jonker (Viện nghiên cứu Vũ trụ Hà Lan); Richard Plotkin (Đai học Nevada, Reno); và Joey Neilson (Đại học Villanova).

Kết quả nghiên cứu này liên quan đến một khám phá tương tự về hệ kép tia X Circinus X-1, chứa một sao neutron chứ không phải là một lỗ đen, được công bố trong một bài báo của tạp chí The Astrophysical Journal vào ngày 20 tháng 6 năm 2015, với tiêu đề “Chúa tể của những chiếc nhẫn: Khoảng cách động học đến Circinus X-1 từ Ánh sáng dội lại khổng lồ ở dải X". Nghiên cứu này cũng được dẫn đầu bởi Sebastian Heinz.

Đã có nhiều bài báo xuất bản hàng năm công bố những báo cáo về đợt bùng phát V404 Cygni vào năm 2015 là nguyên nhân tạo ra những chiếc vòng này. Những đợt bùng phát trước đây được ghi nhận vào năm 1938, 1956 và 1989, chính vì vậy các nhà thiên văn có lẽ vẫn còn nhiều năm nữa để tiếp tục phân tích về vụ nổ năm 2015 này.

Dương Lê Quang
Theo Phys.org