Hầu hết chúng ta khi tìm hiểu về vũ trụ đều đã biết đến sao neutron. Một sao neutron thông thường có khối lượng từ 1.35 đến 2.1 lần khối lượng Mặt Trời, nhưng đường kính chỉ khoảng 20km, tương đương một thành phố nhỏ. Gần đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một điều có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về sự tiến hóa của các ngôi sao trong vũ trụ, đó chính là “sao neutron đen”.
Điều khiến các nhà khoa học bối rối từ lâu là các hố đen nhỏ nhất thường có khối lượng ít nhất gấp 5 lần khối lượng Mặt Trời, trong khi sao neutron điển hình chỉ khoảng 2.5 lần. Khoảng cách khối lượng lớn này là một khoảng trống bí ẩn giữa khối lượng của hố đen và sao neutron, một trong số các kết thúc có thể xảy ra của quá trình tiến hóa sao. Phát hiện gần đây của một nhóm các nhà thiên văn học châu Âu dường như đã lấp đầy khoảng trống bí ẩn này.
Sử dụng Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser LIGO ở Louisiana và máy dò Virgo ở Ý, một nhóm chuyên gia đã phát hiện ra một vật thể bất thường, với khối lượng khoảng 2.6 lần Mặt Trời. Điều đáng chú ý của phát hiện này là chúng ta chưa bao giờ phát hiện một vật thể có khối lượng nằm trong khoảng trống khối lượng lý thuyết giữa sao neutron và hố đen trước đây. Vật thể này, được gọi là sao neutron đen, lần đầu tiên được phát hiện vào tháng 8 khi nó hợp nhất với một hố đen khổng lồ có khối lượng gấp 23 lần Mặt Trời, biến thành một hố đen có khối lượng gấp 25 lần Mặt Trời, cách Trái Đất 800 triệu năm ánh sáng.
Hai vật thể với khối lượng khác nhau đáng kể, tạo nên một vụ hợp nhất rất bất thường, thách thức các mô hình lý thuyết hiện tại. Phát hiện này cho thấy những sự kiện này xảy ra thường xuyên hơn chúng ta dự đoán, biến nó trở thành một vật thể khối lượng thấp thực sự hấp dẫn. Vật thể bí ẩn này có thể là một sao neutron hợp nhất với một hố đen, một khả năng thú vị đã được dự đoán về mặt lý thuyết nhưng chưa được xác nhận bằng quan sát. Tuy nhiên, với khối lượng 2.6 lần Mặt Trời, nó vượt quá dự đoán hiện tại về khối lượng sao neutron tối đa và thay vào đó có thể là hố đen nhẹ nhất từng được phát hiện.
Hệ Sao Khổng Lồ: Máy Gia Tốc Hạt Vũ Trụ
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hai sao khổng lồ xanh, phát ra gió sao làm tăng tốc các hạt hạ nguyên tử và tạo ra bức xạ gamma cường độ cao. Với kính thiên văn chuyên dụng ở Namibia, nhóm nghiên cứu do Trung tâm Nghiên cứu Electron Synchrotron (DESY) của Đức dẫn đầu, chứng minh rằng một hệ sao đôi là nguồn bức xạ gamma năng lượng cao trong vũ trụ.
Hệ sao Eta Carinae, cách Trái Đất 7,500 năm ánh sáng trong chòm sao Carina, tạo ra tia gamma với năng lượng lên tới 400 gigaelectronvolt (GeV), gấp 100 tỷ lần năng lượng của ánh sáng nhìn thấy. Eta Carinae là một hệ sao đôi gồm hai sao khổng lồ xanh, có khối lượng lần lượt gấp 100 và 30 lần Mặt Trời. Hai ngôi sao quay quanh nhau cứ sau 5.5 năm theo quỹ đạo hình elip, khoảng cách của chúng liên tục thay đổi, có thể gần như từ Mặt Trời đến Sao Hỏa hoặc xa như khoảng cách giữa Mặt Trời và Sao Thiên Vương. Cả hai ngôi sao đều phóng ra gió sao chứa các hạt tích điện vào không gian với tốc độ siêu âm. Trong quá trình đó, cứ 5,000 năm, ngôi sao lớn hơn lại mất đi một khối lượng tương đương Mặt Trời. Ngôi sao nhỏ hơn tạo ra gió sao với tốc độ 11 triệu km/giờ.
Một mặt xung kích được hình thành nơi hai gió sao va chạm, làm nóng vật chất trong gió lên nhiệt độ cực cao. Khi đạt tới 50 triệu độ C, vật chất phát sáng trong dải tia X. Tuy nhiên, các hạt trong gió sao vẫn chưa đủ nóng để phát ra bức xạ gamma. Vùng xung kích thường là nơi các hạt hạ nguyên tử được tăng tốc bởi các trường điện từ mạnh. Khi các hạt tăng tốc đủ nhanh, chúng có thể phát ra bức xạ gamma. Trên thực tế, vệ tinh Fermi của NASA và AGILE (ASI) của Cơ quan Vũ trụ Ý đã từng phát hiện ra tia gamma có năng lượng lên tới 10 GeV từ Eta Carinae vào năm 2009. Dữ liệu vệ tinh cho thấy Eta Carinae có thể tạo ra bức xạ gamma mạnh hơn 100 GeV. HESS đã phát hiện thành công bức xạ gamma 400 GeV khi hai sao khổng lồ xanh đến gần nhau vào năm 2014 và 2015. Điều này biến hệ sao đôi này trở thành ví dụ đầu tiên về nguồn bức xạ gamma năng lượng cao từ các vụ va chạm giữa gió sao. Vùng mũi xung kích của hai gió sao va chạm hoạt động như một máy gia tốc hạt tự nhiên cho tia vũ trụ.
Nguồn “Thức Ăn” Bí Ẩn Của Hố Đen Siêu Khổng Lồ
Các nhà khoa học đã tiết lộ những gì họ tin là đã “nuôi” các hố đen siêu lớn, xuất hiện trong vũ trụ sơ khai. Các nhà thiên văn học từ lâu đã tự hỏi làm thế nào những thực thể kỳ lạ này có thể phát triển nhanh chóng như vậy, ngay sau khi vũ trụ và các thiên hà hình thành, hàng trăm triệu năm trước. Nhưng giờ đây, bằng cách phân tích lõi của hơn hai chục thiên hà xuất hiện vào khoảng 12.5 tỷ năm trước, họ dường như đã tìm ra câu trả lời.
Nguồn “thức ăn” cung cấp năng lượng cho các hố đen trong vũ trụ sơ khai, các nhà nghiên cứu cho biết, hóa ra là những đám mây khí hydro khổng lồ. Sau khi khảo sát 31 quasar, họ phát hiện ra rằng có tới 12 trong số đó được bao quanh bởi những đám mây khí dày đặc, mát mẻ, tạo thành nguồn thức ăn hoàn hảo cho các hố đen. Quasar là các tập hợp vật chất xoáy, được cho là bao quanh các hố đen siêu lớn ở trung tâm của một số thiên hà. Mặc dù quasar dễ dàng phát hiện do độ sáng của chúng, nhưng các đám mây hydro bao quanh các thiên hà của chúng khó phát hiện hơn. Các nhà khoa học đã sử dụng thấu kính Muse, gắn trên kính thiên văn lớn tại Đài thiên văn Nam Âu, để thực hiện các quan sát của mình. Mặc dù quasar có thể phát sáng, nhưng các đám mây khí xung quanh chúng khó quan sát hơn nhiều. Tuy nhiên, thấu kính Muse có thể phát hiện các quầng mờ của những đám mây hydro này, cuối cùng giúp các nhà thiên văn học tiết lộ “nguồn thức ăn” của các hố đen siêu lớn trong vũ trụ sơ khai.
Vật Thể Kỳ Lạ Trong Vũ Trụ: Nổ Liên Tục
Các nhà thiên văn học đã theo dõi một vật thể vũ trụ bí ẩn, thực hiện 1,652 vụ nổ năng lượng trong một khoảng thời gian ngắn. Mặc dù các nhà nghiên cứu không thể giải thích được điều gì khiến nó lặp lại như vậy, nhưng họ hy vọng các quan sát mới sẽ giúp họ tìm ra nguyên nhân. Vật thể này được gọi là FRB (vụ nổ vô tuyến nhanh), một hiện tượng bí ẩn lần đầu tiên được quan sát vào năm 2007. FRB tạo ra các xung trong phần vô tuyến của phổ điện từ. Các xung này chỉ kéo dài vài mili giây, nhưng tạo ra nhiều năng lượng tương đương Mặt Trời trong một năm. Một số FRB chỉ phát ra năng lượng một lần, nhưng nhiều FRB, bao gồm FRB 121102, nằm trong một ngôi sao lùn đã biết, đang lặp lại các vụ nổ.
Sử dụng Kính thiên văn Vô tuyến Hình cầu Khẩu độ 500 mét (FAST) ở Trung Quốc, một nhóm các nhà khoa học đã quyết định tiến hành một nghiên cứu sâu rộng về FRB lặp lại này. Chiến dịch này chỉ dành cho việc thu thập dữ liệu chung về thực thể cụ thể này. FAST là kính thiên văn vô tuyến nhạy nhất thế giới, vì vậy nó có thể phát hiện ra những thứ mà các đài quan sát trước đây có thể đã bỏ lỡ. Trong khoảng 60 giờ, các nhà nghiên cứu đã theo dõi FRB 121102, phát nổ 1,652 lần, đôi khi lên tới 117 lần mỗi giờ, nhiều hơn bất kỳ FRB lặp lại nào. Hầu hết các FRB xảy ra trong vũ trụ xa xôi, điều này gây khó khăn cho việc nghiên cứu chúng. Tuy nhiên, vào năm 2020, các nhà thiên văn học đã tìm thấy một FRB bên trong Dải Ngân hà của chúng ta, cho phép họ xác định rằng nguồn gốc là một loại sao chết, được gọi là magneto.
Sao từ (magnetar) được hình thành từ các thiên thể sao siêu đặc, gọi là sao neutron. Mặc dù tất cả các sao neutron đều có từ trường mạnh, một số hành tinh ngoại có từ trường đặc biệt, với cường độ cao có thể làm biến dạng hành vi của chúng, khiến chúng trở thành sao từ. Không phải tất cả các FRB đều đã được xác định, liệu chúng có phải là sao từ hay không? Nếu FRB 121102 là một sao từ, dữ liệu mà các nhà khoa học đã thu thập cho thấy rằng các vụ nổ nhanh đang xảy ra ngay trên bề mặt của ngôi sao, chứ không phải trong khí và bụi xung quanh.
Kết luận
Những phát hiện mới về “sao neutron đen”, hệ sao khổng lồ Eta Carinae, nguồn thức ăn của hố đen siêu lớn và các vụ nổ vô tuyến nhanh tiếp tục mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, đồng thời đặt ra nhiều câu hỏi mới. Những khám phá này cho thấy vũ trụ còn chứa đựng nhiều điều bí ẩn đang chờ được khám phá. Việc nghiên cứu sâu hơn về các hiện tượng này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự hình thành và tiến hóa của vũ trụ.