Dựa trên một sự kiện thông thường được đặt tên là “the Cow”, nghiên cứu này cung cấp cho các nhà thiên văn một phương pháp mới để tìm kiếm các thiên thể đặc sơ sinh.
Vào tháng 6 năm 2018, các kính thiên văn trên khắp thế giới đã chụp được một tia sáng màu xanh rực rỡ từ cánh tay xoắn của một thiên hà cách Trái Đất 200 triệu năm ánh sáng. Lúc đầu, vụ nổ giàu năng lượng này dường như là một vụ nổ supernova, mặc dù nó diễn ra nhanh hơn và có độ chói sáng hơn nhiều so với bất kỳ vụ nổ sao nào mà các nhà khoa học đã từng thấy. Tín hiệu này được đặt tên theo hệ thống là AT2018cow, hay gọi đơn giản là “the Cow” và các nhà thiên văn đã xếp nó vào danh mục FBOT (viết tắt của cụm từ “fast blue optical transient”) - một sự kiện thiên văn sáng, tồn tại trong khoảng thời gian ngắn không rõ nguồn gốc.
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Viện Công nghệ Massachusets (MIT) dẫn đầu đã tìm thấy bằng chứng chắc chắn về nguồn gốc của tín hiệu này. Ngoài một luồng sáng được phóng ra dưới dạng ánh sáng xanh, các nhà khoa học còn phát hiện thấy một xung ánh sáng chứa luồng tia X năng lượng cao như đang nhấp nháy. Nhóm nghiên cứu đã lần theo dấu vết của hàng trăm triệu xung tia X như vậy về tín hiệu “the Cow” này và nhận thấy rằng các xung ánh sáng này xảy ra rất đều đặn cứ sau 4,4 mili giây trong khoảng thời gian 60 ngày.
Dựa trên tần số của các xung này, nhóm nghiên cứu đã ước tính rằng luồng tia X phải bắt nguồn từ một thiên thể có đường kính không quá 1.000 km và có khối lượng nhỏ hơn 800 lần Mặt Trời. Theo tiêu chuẩn vật lý thiên văn, một thiên thể như vậy sẽ được xem là đặc, giống như một lỗ đen nhỏ hoặc một sao neutron.
Phát hiện của nhóm nghiên cứu - được công bố trên tạp chí Nature Astronomy - nhấn mạnh rằng AT2018cow có khả năng là sản phẩm của một sao chết, trong quá trình sụp đổ, đã hình thành một thiên thể đặc dưới dạng lỗ đen hoặc sao neutron. Thiên thể mới sinh ra này tiếp tục nuốt chửng vật chất xung quanh, ăn sao chủ của nó từ phía trong - một quá trình qua đó giải phóng một năng lượng khổng lồ.
“Chúng tôi có khả năng đã phát hiện thấy sự ra đời của một thiên thể đặc trong một vụ nổ supernova,” Dheeraj Pasham (DJ) - tác giả dẫn đầu đồng thời là một nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Vũ trụ và Vật lý Thiên văn Kavli của MIT cho biết. “Điều này xảy ra ở những vụ nổ supernova thông thường, nhưng chúng tôi chưa từng thấy trước đây vì nó là một quá trình hỗn loạn. Chúng tôi nghĩ bằng chứng mới này sẽ mở ra khả năng tìm kiếm các lỗ đen con hoặc sao neutron mới hình thành.”
“Lõi của the Cow”
AT2018cow là một trong nhiều ‘sự kiện thiên văn thoáng qua” được phát hiện vào năm 2018. Từ “cow” (có nghĩa là con bò) trong tên của nó là một sự trùng hợp ngẫu nhiên của quá trình đặt tên thiên văn (chẳng hạn “aaa” là chỉ sự kiện thiên văn thoáng qua đầu tiên được phát hiện vào năm 2018). Tín hiệu này nằm trong số hàng tá các FBOT đã biết và nó là một trong số ít những tín hiệu như vậy đã được quan sát trong thời gian thực. Tia sáng giàu năng lượng của nó - sáng hơn tới 100 lần so với một supernova điển hình - được phát hiện bởi một cuộc khảo sát ở Hawaii, ngay lập tức được gửi cảnh báo tới các đài quan sát trên khắp thế giới.
Pasham cho biết: “Thật là thú vị vì đã thu thập được rất nhiều dữ liệu. Lượng năng lượng tới từ the Cow lớn hơn rất nhiều lần so với vụ nổ supernova sụp đổ lõi điển hình. Và câu hỏi được đặt ra là điều gì có thể tạo ra nguồn năng lượng giải phóng ra này?”
Các nhà thiên văn đã đề xuất nhiều kịch bản khác nhau để giải thích về tín hiệu siêu sáng này. Chẳng hạn, nó có thể là sản phẩm của một lỗ đen được sinh ra trong một vụ nổ supernova. Hoặc nó có thể là kết quả của quá trình một lỗ đen khối lượng trung bình đánh cắp vật chất từ một ngôi sao di chuyển ngang qua. Tuy nhiên, dữ liệu được thu thập từ các kính thiên văn quang học dù bằng cách nào cũng chưa lý giải được nguồn gốc của tín hiệu này. Pasham tự hỏi liệu có thể tìm thấy câu trả lời từ dữ liệu tia X hay không.
Pasham cho biết: “Việc tín hiệu này tới từ vị trí gần đồng thời cũng phát sáng ở dải bước sóng tia X là điều khiến tôi chú ý. Đối với tôi, điều đầu tiên nghĩ tới là một số hiện tượng thực sự giàu năng lượng đang diễn ra để tạo ra các luồng tia X. Vì vậy, tôi muốn kiểm tra ý tưởng rằng liệu có một lỗ đen hoặc thiên thể đặc nào ở lõi của the Cow hay không.”
Tìm kiếm một xung điện từ
Nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu tia X được thu thập bởi vệ tinh thăm dò thành phần cấu tạo sao neutron (NICER) của NASA- một kính thiên văn giám sát tia X đặt trên trạm ISS. NICER đã bắt đầu quan sát the Cow khoảng năm ngày sau khi phát hiện ban đầu bằng kính thiên văn quang học được thực hiện và theo dõi tín hiệu này trong 60 ngày tiếp theo. Dữ liệu này được ghi lại trong một kho lưu trữ công khai mà Pasham và các đồng nghiệp của ông đã tải xuống và phân tích.
Nhóm nghiên cứu đã xem xét dữ liệu nhằm xác định liệu các tín hiệu tia X có phát ra gần vụ nổ AT2018cow hay không và đã xác nhận rằng luồng tia X này không tới từ các nguồn khác như tiếng ồn của thiết bị hay các hiện tượng nền vũ trụ. Họ tập trung vào các tia X và phát hiện rằng the Cow dường như đang giải phóng các vụ nổ ở tần số 225 hertz hoặc cứ sau 4,4 mili giây một lần.
Pasham đã chụp được xung này và nhận thấy rằng tần số của nó có thể được sử dụng để trực tiếp tính toán kích thước của bất cứ thứ gì đang phát xung. Trong trường hợp này, kích thước của thiên thể phát xung không thể lớn hơn khoảng cách mà vận tốc ánh sáng có thể bao phủ trong 4,4 mili giây. Bằng cách lập luận này, ông đã tính toán rằng kích thước của thiên thể không thể vượt quá 1,3x108 cm, hoặc có đường kính khoảng 1.000 km.
Pasham cho biết: “Thứ duy nhất có thể nhỏ cỡ đó chính là một thiên thể đặc - một sao neutron hoặc lỗ đen.”
Nhóm nghiên cứu còn tính toán thêm rằng, dựa trên năng lượng do vụ nổ AT2018cow phát ra thì thiên thể được dự đoán này có khối lượng lên tới không quá 800 lần khối lượng Mặt Trời.
Pasham cho biết: “Điều này loại trừ ý tưởng rằng tín hiệu này tới từ một lỗ đen khối lượng trung bình.”
Ngoài việc xác định nguồn gốc của tín hiệu cụ thể này, Pasham còn cho biết nghiên cứu này chứng minh rằng các phân tích từ tia X của các FBOT và các hiện tượng siêu sáng khác có thể là một công cụ mới để nghiên cứu những lỗ đen sơ sinh.
“Bất cứ khi nào có một hiện tượng mới xảy ra thì thực phấn khích khi nó có thể nói lên điều gì đó mới mẻ về vũ trụ,” Pasham cho biết. “Đối với các FBOT, chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể nghiên cứu chi tiết các xung của chúng theo một cách mà không thể thực hiện được bằng quan sát mắt thường. Vì vậy, đây là một cách mới để hiểu được những thiên thể đặc sơ sinh này.”
Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi NASA.
Hồng Anh
Theo Science Daily
