Đây là lần đầu tiên các nhà thiên văn học được chứng kiến sự sát nhập của 2 ngôi sao neutron, và phát hiện mới này có thể có ích trong việc giải quyết những bí ẩn kéo dài suốt những thập niên qua : có bao nhiêu nguyên tố nặng trong vũ trụ được hình thành. Đây là lời giải thích tại sao khám phá này là bước đột phá cho những hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.
Sóng hấp dẫn là gì?
Sự tồn tại của sóng hấp dẫn lần đầu tiên được tiên đoán bởi Albert Einstein vào năm 1916. Theo Thuyết tương đối rộng của Einstein, trường hấp dẫn là hệ quả của việc khối lượng bẻ cong bức nền không-thời gian. Khi một vật thể có khối lượng chuyển động, nó sẽ tạo ra sóng hấp dẫn lan truyền đi với vận tốc ánh sáng, làm không-thời gian co-dãn dọc theo đường đi của chúng
Sóng hấp dẫn rất yếu, khiến chúng cực kì khó để phát hiện, ngay cả Einstein cũng không chắc chắn liệu rằng chúng có thật sự tồn tại hay không. Một thế kỉ sau, vào năm 2016, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc phát hiện trực tiếp sóng hấp dẫn lần đầu tiên, sử dụng Giao thoa kế Laser quan sát Sóng hấp dẫn (LIGO). Công trình này đã giúp ba nhà khoa học đạt giải Nobel Vật lý 2017 vào tháng 11 năm 2017.
LIGO hoạt động như thế nào?
HÌnh 1: Sử dụng chùm tia laser, các nhà khoa học đã phát hiện được sự biến dạng vật lý gây ra bởi sóng hấp dẫn khi chúng đi ngang qua. Xem quá trình tìm kiếm sóng hấp dẫn của LIGO tại hình minh họa Space.com này
Credit: By Karl Tate, Infographics Artist
LIGO sử dụng một cặp máy dò đặt ở Mỹ, một ở Livingston, Louisiana, và còn lại tại Hanford, Washington - để cảm nhận các sai lệch mà sóng hấp dẫn gây ra khi chúng di chuyển xuyên qua vật chất. Mỗi máy dò có hình dạng như chữ L khổng lồ, với các cánh tay dài khoảng 2,5 dặm (4 km). Các cánh tay của mỗi máy dò đều có cùng độ dài, nên các chùm tia laser đều mất cùng 1 khoảng thời gian để di chuyển hết chiều dài trên. Tuy nhiên, nếu sóng hấp dẫn đi ngang qua Trái Đất - và chúng làm cho cánh tay của máy dò dãn ra và co lại thêm khoảng một phần nghìn đường kính của proton - sự biến dạng của không-thời gian này cho phép dụng cụ đo của mỗi máy dò phát hiện được sự sai khác cỡ nửa giây trong thời gian chùm tia laser mất để đi từ đầu này tới đầu kia của một cánh tay của máy dò.
Bởi vì các máy dò của LIGO được đặt cách nhau khoảng 1865 dặm (3000 km), nó mất đến 10 ms để sóng hấp dẫn đi từ máy dò này qua máy dò khác. Các nhà khoa học có thể sử dụng sự sai khác trong thời gian di chuyển để tính toán vị trí phát ra sóng hấp dẫn. Khi càng nhiều các máy dò sóng hấp dẫn được đưa vào hoạt động - như máy dò của Virgo gần Pisa, Ý - các nhà khoa học có thể xác định vị trí của nguồn phát sóng hấp dẫn tốt hơn.
Sóng hấp dẫn dễ được LIGO phát hiện nhất là những sóng giàu năng lượng nhất, được giải phóng khi những vật thể dị thường khổng lồ va chạm với nhau. Tất cả các sóng hấp dẫn được LIGO và các máy dò khác phát hiện trước đây đều từ sự sát nhập của các lỗ đen. Giờ đây, lần đầu tiên, các nhà khoa học đã phát hiện được sóng hấp dẫn đến từ sự sát nhập của sao neutron, đo bởi LIGO và Virgo.
Sao neutron là gì?
Sao neutron, cũng như lỗ đen, là tàn dư còn lại của ngôi sao đã chết trong vụ nổ siêu sao mới. Khi một ngôi sao trở thành sao siêu mới, vật chất của chúng co sập lại tạo thành phần lõi đặc. Nếu phần lõi đủ nặng, nó có thể hình thành lỗ đen, vật thể có lực hấp dẫn mạnh mẽ đến mức ánh sáng cũng không thể thoát ra được. Một phần lõi ít nặng hơn sẽ hình thành sao neutron, nên chúng được đặt tên như vậy bởi vì lực hấp dẫn của chúng đủ mạnh để kéo proton lại gần tương tác với electron tạo nên neutrons.
Mặc dù các sao neutron thường nhỏ, với đường kính vào khoảng 12 dặm (19 km) hoặc hơn, nhưng chúng cực kì đặc đến mức khối lượng sao neutron có thể gần bằng khối lượng của Mặt tròi. Một thìa vật chất sao neutron có khối lượng khoảng hàng tỉ tấn, khiến sao neutron thành những vật thể đặc nhất trong vụ trụ sau lỗ đen.
Khám phá mới: Sóng hấp dẫn đến từ sao neutron.
Ngày 17 tháng 8 năm 2017, LIGO tiên tiến và Vigro tiên tiến (các phiên bản nâng cấp hiện tại của cả 2 đài quan sát) đã phát hiện được tín hiệu sóng hấp dẫn mang lượng năng lượng dị thường - ‘’một thứ gì đó dường như gấp hàng tỉ lần năng lượng khả kiến của Ngân hà’’ - Mansi Kasliwal thuộc VIện Công nghệ California tại Pasadena cho biết. Kasliwal là người nghiên cứu chính của ban Chuyển giao quốc tế của Đài quan sát các sự kiện tức thời( GROWTH), phòng hợp tác quốc tế tập trung vào các sự kiện vũ trụ tức thời như các vụ va chạm sao neutron.
‘’Năng lượng của nó đủ để làm lu mờ 100 tỉ ngôi sao trong thiên hà của chúng ta khoảng một tỷ lần trong khoảng 50s hoặc chừng đó giây nó diễn ra’’-Kasliwal, một trong các nhà khoa học tham gia vào khám phá lần này cho biết.
Sự kiện này là lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát được 2 ngôi sao neutron sát nhập với nhau. Manh mối chính cho biết tín hiệu này đến từ một vụ sát nhập trên là thời gian tồn tại của nó, tín hiệu sóng hấp dẫn dài nhất được phát hiện cho đến nay, Kasliwal tiết lộ.
Lỗ đen đặc hơn sao neutron, nên tín hiệu từ vụ va chạm của chúng tương đối ngắn. ‘’Các phát hiện trước đây từ sát nhập của lỗ đen kéo dài trong khoảng một giây, có khi là hai giây’’ Kasliwal nói với Space.com. ‘’ Tín hiệu mới đây nhất kéo dài gần tới một phút’’
Có một manh mối khác để khẳng định tín hiệu mới trên đến từ sự sát nhập sao neutron: khối lượng của các vật thể tạo ra sóng hấp dẫn. Tần số của sóng hấp dẫn phụ thuộc vào khối lượng của các vật thể tạo ra chúng - tần số càng cao, khối lượng càng nhỏ, Kasliwal cho biết.. Hai vật thể va chạm tạo ra tín hiệu trên có khối lượng lần lượt khoảng 1.3 và 1.5 lần khối lượng Mặt trời - khối lượng điển hình của sao neutron, Kasliwal nói. ‘’Trái lại, vụ sát nhập lỗ đen đầu tiên LIGO phát hiện được liên quan đến các lỗ đen có khối lượng khoảng 30 lần khối lượng của Mặt trời’’
Điều tuyệt vời của tín hiệu mới trên là, nó không mạnh như tín hiệu quan sát được từ va chạm lỗ đen. Sao neutron này sát nhập chuyển hóa khoảng 0.025 lần khối lượng của Mặt trời thành năng lượng, ‘’ đây là nguồn năng lượng đáng kinh ngạc’’, Kasliwal cho biết. Tuy nhiên, vụ sát nhập lỗ đen đầu tiên LIGO phát hiện được đã chuyển 3 lần khối lượng Mặt trời thành năng lượng, ‘’nó sáng hơn tất cả mọi thứ chúng tôi đã từng thấy cho đến giờ’’- trích lời Kasliwal.
Cho đến nay, LIGO đã phát hiện được bốn vụ sát nhập lỗ đen và một vụ sát nhập sao neutron. Một số nhà nghiên cứu đã dự đoán số vụ sát nhập sao neutron có thể phổ biến hơn so mới va chạm lỗ đen, mặc dù một số khác lại dự đoán điều ngược lại, Kasliwal cho biết. Cô giải thích rằng sát nhập sao neutron thì phổ biển hơn ở mọi nơi còn sát nhập lỗ đen xảy ra mạnh mẽ hơn, vậy nên có thể được phát hiện từ các khoảng xa hơn.
Ánh sáng từ va chạm sao neutron.
LIGO tiên tiến và Vigro tiên tiến đã cùng nhau thu hẹp được vị trí của sự kiện mới này, được đặt tên là GW170817,tới khoảng 28 độ vuông trên bầu trời ( Để so sánh, trăng tròn được nhìn từ trái đất chiếm khoảng 0,2 độ vuông trên bầu trời).
Để làm việc nhanh hơn, các nhà thiên văn học đã dùng cả Đài quan sát thông thường và Đài quan sát sóng hấp dẫn để quan sát cùng một sự kiện: lần đầu tiên phát hiện được ánh sáng từ nguồn phát sóng hấp dẫn. Trong khi đó, sát nhập lỗ đen không có hy vọng tạo ra ánh sáng, có nghĩa là các kính thiên văn thông thường không thể phát hiện được chúng.
Các nhà khoa học đã sử dụng nhiều loại kính thiên văn để phân tích sóng vô tuyến, tia hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X và vụ nổ tia gamma phát ra từ vụ sát nhập sao neutron trong nhiều tuần. Kính thiên văn Swope tại Đài quan sát Las Campanas
tại Chile đã định vị thành công GW170818 nằm tại thiên hà NGC 4993, nằm tại chòm sao Hydra cách Trái Đất khoảng 130 triệu năm ánh sáng.
Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học liên hệ được sự kiện sóng hấp dẫn với thiên hà đã biết. Họ gọi nguồn phát của sự kiện này là Swope Swope Supernova 2017a(SSS17a)
‘’Sử dụng LIGO và Virgo, chúng tôi đã tìm thấy chỉ có 49 thiên hà có thể có khả năng là nơi chứa các vụ sát nhập qua việc ưu tiên tìm kiếm các vụ sát nhập này qua nhờ độ nặng của các thiên hà - điều sẽ giúp chúng ta ước lượng được có bao nhiêu ngôi sao từng có trong mỗi thiên hà, và theo đó là khả năng nó có thể có các vụ sát nhập sao neutron - chúng tôi đã tìm thấy vụ sát nhập trên ở thiên hà thứ ba trong danh sách của chúng tôi’’ - Kasliwal cho biết
Tàn tích từ vụ va chạm
SSS17a bị mờ đi nhanh chóng và thay đổi ánh sáng từ xanh thành đỏ - tín hiệu chứng tỏ chúng bị giãn nở đột ngột tới vận tốc gần vận tốc ánh sáng và bị lạnh đi khi chúng di chuyển. Các nhà nghiên cứu khẳng định rằng vụ sát nhập sao neutron đã tạo nên một kilonova, vụ nổ mạnh hơn 1000 lần các vụ nổ sao mới thông thường, gọi là nova.
‘’Chúng tôi nghĩ vụ sát nhập đã đẩy ra khoảng 10000 lần khối lượng vật chất của Trái Đất’’-Kasliwal cho biết
Các nhà nghiên cứu ước lượng rằng vụ sát nhập đã giải phóng luồng vật chất ra ngoài ở gần vận tốc ánh sáng, di chuyển theo hướng lệch khoảng 30 độ so với đường ngắm từ Trái Đất. Tất cả ánh sáng các nhà nghiên cứu phát hiện được tới từ phần vật chất xung quanh luồng tia trên. Họ đã ước lượng khoảng 30 phần trăm vụ sát nhập sao neutron trong tương lai sẽ tạo nên các vụ nổ tia gamma có thể phát hiện được từ Trái Đất.
Quang phổ ánh sáng từ vật chất được phóng ra từ vụ sát nhập tiết lộ những vật chất này chứa những nguyên tố mới được tổng hợp. Khám phá mới này xác nhận các nghiên cứu trong 70 năm cho rằng sát nhập sao neutron đủ mạnh để tổng hợp những nguyên tố nặng như vàng, bạch kim và chì
Các nhà khoa học đã biết được các nguyên tố nhẹ được tổng hợp tại đâu - hầu hết hydrogen và helium tới từ Big Bang, và các nguyên tố trước sắt trong bảng tuần hoàn hầu hết được tạo ra trong lõi của các ngôi sao. Tuy nhiên, nguồn gốc của một nửa các nguyên tố nặng hơn sắt vẫn chưa được khẳng định chắc chắn. Nên khám phá mới này đã cung cấp bằng chứng cụ thể rằng các vụ sát nhập là nơi sinh ra một nửa các nguyên tố nặng trong vũ trụ nặng hơn sắt, Kasliwal cho biết.
Phần không chắc chắn còn lại sản phẩm của vụ sát nhập. ‘’ Nó khoảng 2,7 lần khối lượng mặt trời, nên nó nằm trong ranh giới khối lượng giữa sao neutron và lỗ đen. Hầu hết các sao neutron nặng nhất được tìm thấy được xác định là khoảng 2 lần khối lượng Mặt trời, và lỗ đen nặng ít nhất được tìm thấy có khối lượng là 5 lần khối lượng Mặt trời’’ Kasliwal nói.’’Đây là sao neutron nặng nhất được thấy, hoặc là lỗ đen khối lượng nhỏ nhất tìm được, hoặc có thể nó là sao neutron siêu khổng lồ sẽ co sập lại để hình thành lỗ đen. Đây là một lĩnh vực mới’’
Các nhà khoa học đã giải thích chi tiết khám phá của họ trên các báo tổng hợp và trên các tạp chí Science, Nature, The Astrophysical Jounal và các tạp chí khác
