Vào ngày 11 tháng 2021 năm 120, một chùm tia gamma – dạng ánh sáng giàu năng lượng nhất – đã chiếu thẳng vào vệ tinh Swift của NASA. Trong vòng XNUMX giây, vệ tinh đã quay về phía vụ nổ và phát hiện những đốm than hồng rực rỡ của một thảm họa vũ trụ. Mười phút sau, cảnh báo được gửi đến các nhà thiên văn học trên khắp thế giới.

Trong số đó là Jillian Rastinejad, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Tây Bắc. Đối với Rastinejad và các cộng tác viên của cô, vụ nổ tia gamma này trông giống một cách kỳ lạ với một vụ nổ bất thường từ năm 2006. Rastinejad đã gọi đến Đài quan sát Gemini ở Hawaii và kêu gọi các nhà nghiên cứu ở đó nhìn chằm chằm sâu vào mảng bầu trời nơi vụ nổ phát ra. Vài ngày sau, khi mây kéo đến, một nhà nghiên cứu tại Đài thiên văn MMT ở Arizona đã tiếp quản, cố gắng hết sức để giữ cho kính thiên văn hướng về điểm ánh sáng mờ dần cách đó một tỷ năm ánh sáng.

Rastinejad nói rằng đó không phải là một thành tích nhỏ vì thời tiết ở đó cũng đang thay đổi. “Cô ấy tìm thấy một lỗ hổng trên mây cho chúng tôi vào khoảng 4 giờ sáng hàng ngày.”

Vào thời điểm chuỗi quan sát kết thúc khoảng một tuần sau đó, Rastinejad và các đồng nghiệp của cô đã có một ý tưởng khá hay về thứ đã bắn ra những tia gamma đó trong vũ trụ. Khi họ quan sát, hậu quả của vụ nổ ngày càng trở nên đỏ hơn - một dấu hiệu không thể nhầm lẫn rằng trong các mảnh vỡ, các nguyên tử nặng như vàng và bạch kim đang được rèn giũa. Nguồn gốc chính của thuật giả kim vũ trụ như vậy là các vụ va chạm liên quan đến các sao neutron, lõi dày đặc không thể tưởng tượng được của các mặt trời đã chết.

Vấn đề duy nhất là một kết luận như vậy dường như không thể thực hiện được. Các nhà vật lý thiên văn nghi ngờ khi các sao neutron hợp nhất, mọi chuyện sẽ kết thúc chỉ trong chưa đầy một giây. Nhưng Swift đã ghi lại một vụ bắn phá bằng tia gamma kéo dài 51 giây tương đối dài - thường là dấu hiệu của một loại kịch vũ trụ rất khác.

Kể từ đó, các nhà thiên văn học đã xác định được nhiều sự kiện như thế này hơn. Vụ gần đây nhất xảy ra vào tháng 35, khi vụ nổ tia gamma sáng thứ hai từng được phát hiện kéo dài trong XNUMX giây. Một lần nữa, các nhà thiên văn học lại quan sát thấy hậu quả hồng hào của một vụ va chạm sao neutron. Họ cũng tuyển dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb để nghiên cứu vụ nổ kỳ lạ và phát hiện dấu hiệu của nguyên tố nặng Tellurium trong lớp bụi lắng đọng.

Cùng với nhau, chuỗi quan sát mang đến một bí ẩn mới cho một lĩnh vực thiên văn học mà hầu hết các nhà nghiên cứu từng cho là đã giải quyết được: Điều gì khiến những sự kiện được cho là nhanh chóng và dữ dội này phát ra tia gamma trong thời gian dài như vậy? Đó là một câu đố mà các nhà vật lý thiên văn sẽ phải giải nếu họ muốn đạt được mục tiêu đầy tham vọng hơn là tìm hiểu nguồn gốc của tất cả các nguyên tố khác nhau trong vũ trụ, nhiều nguyên tố trong số đó được sinh ra từ những vụ nổ dữ dội này.

“Tôi thực sự rất vui mừng khi thấy điều này,” nói Daniel Kasen, nhà vật lý thiên văn tại Đại học California, Berkeley, người chuyên về các vụ nổ vũ trụ. “Nó đặt ra một câu đố thực sự.”

Chiến tranh Lạnh, Vụ nổ rực rỡ

Ngày nay, cứ vài ngày Swift lại bắt được một vụ nổ tia gamma. Nhưng những vụ nổ này vẫn chưa được biết đến cho đến đỉnh điểm của Chiến tranh Lạnh, khi chúng bất ngờ xuất hiện. Vào những năm 1960, Không quân Hoa Kỳ đã phóng vệ tinh Vela để đảm bảo Liên Xô tuân thủ lệnh cấm thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Nếu Liên Xô cho nổ một quả bom hạt nhân trong không gian, thì tia gamma phát ra - những sóng ánh sáng mang năng lượng ngắn như hạt nhân nguyên tử - sẽ không thể che giấu được.

Các vệ tinh không phát hiện bất kỳ hành vi vi phạm nào của Liên Xô. Nhưng giữa năm 1969 và 1972, họ đã bắt kịp 16 tia sáng bí ẩn tia gamma mà các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos xác định là có “nguồn gốc vũ trụ”.

Trong những thập kỷ tiếp theo, NASA đã tiến hành cuộc điều tra. Cơ quan vũ trụ đã phóng một vệ tinh săn nổ chuyên dụng vào năm 1991, và trong 3,000 năm tiếp theo, nó đã phát hiện được gần XNUMX vụ nổ tia gamma. Các sự kiện có hai loại: ngắn và dài. Hầu hết các khoảnh khắc ngắn kéo dài chưa đầy một giây, trong khi nhiều khoảnh khắc dài kéo dài trong một phút hoặc lâu hơn (đường phân chia giữa hai hương vị là khoảng hai giây).

Bất cứ điều gì gây ra những vụ nổ này đều có vẻ thảm khốc; trong chưa đầy một nửa thời lượng của một bài hát nhạc pop, chúng phát ra năng lượng tương đương với năng lượng mà mặt trời của chúng ta tạo ra trong hàng tỷ năm. Điều gì có thể tỏa sáng rực rỡ đến vậy? Các nhà vật lý thiên văn ban đầu không chắc chắn, nhưng nguồn năng lượng to lớn liên quan đã chỉ ra những thảm họa tận thế. Và hai khoảng thời gian này gợi ý về hai loại thảm họa, một loại nhanh hơn kéo dài khoảng một giây và một loại chậm hơn (có phần) diễn ra trong một phút.

Các nhà thiên văn học tìm ra nguồn gốc của những vụ nổ chậm hơn trước tiên. Vào cuối những năm 1990, khi các nhà nghiên cứu tiến bộ hơn trong việc xác định hướng phát ra vụ nổ, họ bắt đầu thu được những tàn dư ám chỉ các vụ nổ vũ trụ. Sau đó, vào năm 2003, các nhà thiên văn học quan sát vệt sáng gần đó đã nhìn thấy pháo hoa rực rỡ của siêu tân tinh chỉ vài ngày sau một vụ nổ tia gamma kéo dài: Vụ nổ đã báo hiệu giai đoạn đầu tiên trong cái chết của một ngôi sao khổng lồ.

Để hiểu được trận đại hồng thủy nhanh hơn sẽ phải mất thêm một thập kỷ nữa và có những công cụ sắc bén hơn. Thiết bị đột phá được chứng minh là vệ tinh Swift của NASA. Ra mắt vào năm 2004, Swift nổi bật với tấm chì có hoa văn dài hàng mét có thể bẫy tia gamma từ một vùng trời rộng. Điều quan trọng là nó còn sở hữu khả năng độc đáo để xoay nhanh một cặp kính thiên văn trên tàu theo hướng của bất kỳ vụ nổ thiên văn nào. (Theo truyền thuyết của các nhà khoa học Swift, công nghệ ngắm và bắn này được phát triển một phần cho một dự án phòng thủ khác trong Chiến tranh Lạnh: Sáng kiến ​​Phòng thủ Chiến lược của Ronald Reagan - được gọi một cách không chính thức là “Chiến tranh giữa các vì sao” - nhằm mục đích bắn hạ tên lửa hạt nhân đang bay. )

Với Swift, giờ đây các nhà thiên văn học có thể theo dõi một vụ nổ trong vòng hai phút - đủ nhanh để lần đầu tiên ghi lại được tàn dư của các vụ nổ tia gamma ngắn. Trong khi quan sát tia sáng ban đầu mờ dần, các nhà thiên văn học cũng nhìn thấy dấu hiệu của một vụ nổ tiếp theo, một vụ nổ ngày càng đỏ hơn theo thời gian. Các nhà vật lý thiên văn đã sớm tính toán rằng màu đỏ này có thể xảy ra sau một vụ sáp nhập liên quan đến một sao neutron (có thể là một vụ va chạm giữa hai sao neutron hoặc giữa một sao neutron và một lỗ đen). Một vụ va chạm như vậy sẽ trục xuất các mảnh vụn chặn các bước sóng ánh sáng ngắn hơn, xanh hơn. Việc kết hợp những vụ nổ đó, được gọi là kilonova, với những chớp sáng tia gamma ngắn ngủi xảy ra trước chúng đã cung cấp bằng chứng tình huống mạnh mẽ rằng sự hợp nhất sao neutron là một thảm họa ngắn.

Bằng chứng trực tiếp đến vào ngày 17 tháng 2017 năm XNUMX. Hai ngôi sao neutron gần đó va chạm và làm rung chuyển kết cấu không-thời gian, tạo ra sóng hấp dẫn mà Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO) có thể phát hiện được. Bằng cách đọc thông tin được mã hóa trong những gợn sóng đó, các nhà khoa học sau này sẽ tính được khối lượng của các vật thể va chạm và biết rằng chúng là sao neutron. Ngay sau khi sóng hấp dẫn đến, Kính viễn vọng Không gian tia Gamma Fermi đã thu được một vụ nổ tia gamma dài hai giây. Và trong những ngày tiếp theo, các nhà thiên văn học đã nhìn thấy màu đỏ đặc trưng của một kilonova ở cùng vị trí với vụ nổ tia gamma. Các ba quan sát liên tục còn rất ít chỗ để nghi ngờ: Các vụ nổ ngắn có thể đến từ sự hợp nhất sao neutron.

“Điều đó đã củng cố mọi thứ,” nói Brian Metzger, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Columbia và là một trong những nhà lý thuyết đầu tiên dự đoán kilonova sau khi hợp nhất sẽ trông như thế nào. “[Chúng tôi nghĩ] 'Được rồi, bức ảnh này thực sự có ý nghĩa.'"

Bức tranh đó bây giờ đang bắt đầu rạn nứt.

Bước ngoặt màn thứ ba

Đầu tiên là của Rastinejad Vụ nổ 51 giây vào cuối năm 2021. Nó trông rất giống một vụ nổ kéo dài gần đó từ năm 2006 và thật khó hiểu là dường như không có siêu tân tinh. Nhưng với các thiết bị hiện đại và sự hiểu biết sâu sắc hơn về những gì cần tìm kiếm, Rastinejad và các đồng nghiệp đã có thể nhìn thấy điều mà các nhà thiên văn học năm 2006 không thấy được: Vụ nổ năm 2021 được theo sau bởi một kilonova màu đỏ mờ.

Sự quan sát đó đã thúc đẩy Andrew Levan của Đại học Radboud để xem lại một vụ nổ bí ẩn dài 64 giây mà anh ấy đang bối rối kể từ năm 2019. Vụ nổ đã xảy ra ở trung tâm của một thiên hà cổ đại, nơi sự ra đời và cái chết của các ngôi sao (dưới dạng siêu tân tinh) đã chấm dứt từ lâu. Trong tháng Sáu, Levan và các cộng sự của ông đã tranh luận rằng lời giải thích khả dĩ nhất cho vụ nổ kéo dài của chúng là do hai xác sao - ít nhất một trong số đó có lẽ là sao neutron - đã tìm thấy nhau và hợp nhất.

Và giờ đây, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã cung cấp cái nhìn rõ ràng nhất về những gì xảy ra sau một vụ nổ bất thường. Khi vụ nổ kéo dài 35 giây tới Trái đất vào ngày 7 tháng XNUMX, tấm chì cảm nhận tia gamma của Swift hướng về một hướng khác. Các tia năng lượng này chủ yếu được phát hiện bởi Fermi, người coi nó là vụ nổ tia gamma sáng thứ hai mọi thời đại (sau sự kiện lập kỷ lục trong 2022).

Thay cho Swift, các nhà thiên văn học đã sử dụng một đội tàu vũ trụ liên hành tinh (bao gồm cả tàu thăm dò Sao Hỏa và Sao Thủy) để xác định vị trí của vụ nổ. Trong những ngày sau đó, khi các kính viễn vọng trên mặt đất một lần nữa nhìn thấy màu đỏ đặc trưng của một kilonova, Levan đã nhanh chóng đưa ra yêu cầu khẩn cấp về việc quan sát JWST gần như theo thời gian thực về sự kiện này. “Thật may mắn cho chúng tôi, họ đã đồng ý,” Levan nói. “Điều đó cho phép chúng tôi có được những quan sát đó khoảng một tháng sau vụ nổ đầu tiên.”

JWST đã thu thập rất nhiều dữ liệu từ cánh đồng mảnh vụn cuồn cuộn. Kính thiên văn quang học không thể nhìn sâu vào đám mây kilonova dày vì lý do chính xác khiến sự kiện này thu hút các nhà vật lý thiên văn: Nó phóng ra các nguyên tử khổng lồ, chặn ánh sáng thông qua một chuỗi sự kiện phức tạp được gọi là r-quá trình.

Các ngôi sao thường hợp nhất các nguyên tử hydro thành heli và sau đó hợp nhất các nguyên tử nhẹ hơn thành các nguyên tử nặng hơn một chút như oxy và carbon. Các r-process là một trong những cách duy nhất để chuyển thẳng sang các nguyên tố nặng nhất xuất hiện trong tự nhiên. Đó là bởi vì một vụ va chạm sao neutron tạo ra một vòng xoáy neutron dày đặc. Trong sự hỗn loạn, neutron liên tục xâm nhập vào lõi nguyên tử, tạo thành các nguyên tử có tính phóng xạ và không ổn định cao. Khi neutron trong các nguyên tử này phân rã, chúng biến đổi thành proton. Nếu bạn thu được 78 proton thì đó là một nguyên tử bạch kim. Nếu bạn nhận được 79 proton thì đó là vàng.

Các nguyên tử cồng kềnh được tạo ra bởi một ngôi sao neutron chặn ánh sáng nhìn thấy và tỏa sáng chủ yếu ở ánh sáng hồng ngoại. Đó là lý do tại sao JWST – một kính viễn vọng hồng ngoại – rất phù hợp để quan sát đám mây kilonova. “Trước đây chúng tôi chưa bao giờ quan sát thấy một kilonova với JWST,” Metzger nói. “Đó là nhạc cụ hoàn hảo.”

Trong mảnh vụn, JWST phát hiện ra các nguyên tử Tellurium (52 ​​proton), điều này xác nhận rằng sự hợp nhất sao neutron có thể tạo ra các nguyên tố khá nặng ở cuối hàng thứ năm của bảng tuần hoàn. “Đó là một nguyên tố nặng hơn nhiều so với những nguyên tố chúng tôi từng thấy trước đây,” Levan nói.

Nhưng đồng thời, quan sát của JWST bổ sung thêm nhận thức ngày càng tăng rằng, bất kể điều đó có vẻ khó xảy ra đến mức nào, các vụ sáp nhập liên quan đến các sao neutron có thể tạo ra các vụ nổ tia gamma kéo dài. Câu hỏi bây giờ là: Làm thế nào?

Vật thể dày đặc, vụ nổ dài

Các siêu tân tinh bắn ra những vụ nổ tia gamma kéo dài vì các vụ nổ sao diễn ra tương đối chậm và lộn xộn. Cái chết của một ngôi sao khổng lồ bắt đầu khi tâm của nó sụp đổ thành một lỗ đen. Sau khi điều đó xảy ra, một lượng đáng kể vật chất của sao bên ngoài - có lẽ bằng khối lượng của một số mặt trời - xoắn ốc vào lỗ đen, phóng ra những tia hạt cực mạnh bắn tia gamma vào khoảng trống trong tối đa vài phút.

Ngược lại, các vụ sáp nhập sao neutron được cho là sẽ kết thúc trong nháy mắt. Một ngôi sao neutron gói khối lượng của mặt trời hoặc cỡ đó thành một quả cầu nhỏ, nhẵn, chỉ có đường kính vài dặm. Khi hai trong số những quả cầu dày đặc đó va chạm – hoặc khi một quả cầu va vào lỗ đen – vật chất sẽ sụp đổ thành một lỗ đen. Trong lần co thắt cuối cùng đó, vật chất còn sót lại được ném vào quỹ đạo ít hơn nhiều so với trường hợp sao sụp đổ. Khi lỗ đen nuốt chửng món ăn nhẹ này, có thể nặng gấp 10 lần mặt trời, nó cung cấp năng lượng cho các tia phản lực (và một vụ nổ tia gamma) kéo dài một phần mười giây trong một thời gian ngắn.

Những quan sát mới của Levan, Rastinejad và những người khác xung đột với hình ảnh nhanh chóng và rõ ràng về sự hợp nhất sao neutron. “Thật vô nghĩa khi có một khoảng thời gian 10 giây bùng nổ từ một hệ thống chỉ tồn tại trong một phần giây,” nói. quặng Gottlieb, một nhà vật lý thiên văn tính toán tại Viện Flatiron, người không tham gia vào các quan sát.

Một khả năng là có thứ gì đó lớn hơn và hỗn loạn hơn sao neutron đang phát ra những vụ nổ dai dẳng này. Đặc biệt, khoảng thời gian dài hơn của chúng sẽ phù hợp một cách tự nhiên hơn với sự hợp nhất giữa một sao lùn trắng – một loại xác sao lớn hơn bị bỏ lại khi một ngôi sao nhỏ hết nhiên liệu – và một lỗ đen hoặc sao neutron. Kịch bản đó dẫn đến nhiều vật chất hơn xung quanh lỗ đen. Nhưng vẫn chưa rõ liệu các vụ va chạm liên quan đến sao lùn trắng có tạo ra đúng loại vụ nổ tia gamma hay thậm chí là kilonova hay không. Kasen ở Berkeley cho biết: “Toàn bộ hiện tượng này ít được nghiên cứu hơn nhiều. “Chúng tôi đang làm việc đó ngay bây giờ.”

Một lựa chọn khác là các vụ nổ tia gamma kéo dài hoàn toàn không đến từ việc ăn thịt các lỗ đen mới sinh. Thay vào đó, nếu bạn đập hai ngôi sao neutron nhỏ vào nhau và kết quả là đốm màu quay đủ nhanh, nó có thể chống lại sự sụp đổ thành lỗ đen trong vài phút. Vật thể tồn tại trong thời gian ngắn sẽ là một ngôi sao neutron có từ tính cao – một “nam châm” – sẽ phát ra một vụ nổ tia gamma dài hơn khi tốc độ quay của nó chậm lại. Metzger đã giúp xác định kịch bản này, nhưng ngay cả ông cũng coi đó là một quan điểm cấp tiến. “Tôi vẫn còn hoài nghi một cách chính đáng về điều đó,” anh nói.

Khả năng thận trọng nhất, Metzger nói, là các vụ sáp nhập liên quan đến các sao neutron chỉ rắc rối hơn những gì các nhà vật lý thiên văn nghĩ. Trong mùa hè, mô phỏng chi tiết từ sự hợp tác do Gottlieb dẫn đầu đã gợi ý rằng điều này có thể thường xảy ra. Đặc biệt, khi một ngôi sao neutron nhẹ gặp một lỗ đen quay đủ nặng, ngôi sao neutron sẽ chuyển động xoắn ốc và lỗ đen xé nát nó theo hàng trăm quỹ đạo, để lại một đĩa vật chất nặng hơn mà lỗ đen cần hàng chục giây để tiêu thụ. . Trong khi mô phỏng va chạm giữa sao neutron và lỗ đenGottlieb, Metzger và các cộng tác viên phát hiện ra rằng các đĩa nặng hơn gây ra các vụ nổ tia gamma dài hơn là khá phổ biến.

Trên thực tế, thật trớ trêu, các mô phỏng của họ không tạo ra các vụ nổ ngắn thường được quan sát dễ dàng như các vụ nổ dài, đặt ra câu hỏi về chính xác điều gì tạo ra các vụ nổ ngắn.

“Chúng tôi không [hoàn toàn] hiểu những điều này,” Gottlieb nói. “Tôi nghĩ đây có lẽ là vấn đề lớn nhất hiện nay.”

Điền vào các Khoảng trống

Để tìm hiểu điều gì thực sự xảy ra khi các ngôi sao chết va chạm với nhau, các nhà thiên văn học sẽ cần phải nỗ lực gấp đôi để xây dựng một danh mục chi tiết về các vụ nổ tia gamma, vì những gì họ cho là một loạt vụ nổ chủ yếu do siêu tân tinh gây ra giờ đây dường như đã bị trộn lẫn. với một số vụ sáp nhập sao neutron chưa xác định. Điều đó sẽ đòi hỏi phải tìm kiếm kilonova – dấu hiệu của các vụ va chạm – sau cả vụ nổ dài và vụ nổ ngắn. Nếu sự phân biệt giữa dài và ngắn vẫn tồn tại, đó có thể là dấu hiệu cho thấy có nhiều cách để tạo ra kilonova.

Rastinejad nói: “Chúng tôi đang học được rằng bất cứ khi nào có một sự kiện ở tương đối gần, chúng tôi nên tham gia ngay”.

LIGO cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng. Đài quan sát đã ngoại tuyến để nâng cấp trong những vụ nổ kỳ quặc gần đây này, nhưng hiện tại nó đang ở giữa hoạt động thứ tư để lắng nghe những vụ va chạm ở xa. Nếu LIGO có thể thu được sóng hấp dẫn phát ra từ một vụ nổ tia gamma dài, các nhà khoa học sẽ biết liệu sao neutron hay lỗ đen có liên quan hay không. Điều này cũng sẽ cho phép họ loại trừ các sao lùn trắng, vốn không tạo ra sóng hấp dẫn mà LIGO có thể phát hiện được. Những dao động chi tiết của sóng tại các đài quan sát trong tương lai thậm chí có thể đưa ra gợi ý về việc sản phẩm trước mắt là sao từ hay lỗ đen.

“[Sóng hấp dẫn] thực sự sẽ là giải pháp dứt khoát duy nhất cho câu hỏi này,” Metzger nói.

Bằng cách cảm nhận tiếng ồn hấp dẫn của các vụ sáp nhập sao neutron và quan sát các vụ nổ tia gamma và kilonova, các nhà vật lý thiên văn cuối cùng có thể đạt được mục tiêu lâu dài của họ là giải thích đầy đủ về nguồn gốc của mọi chất trong vũ trụ – từ hydro, bạch kim đến plutonium. Để làm được điều đó, họ cần biết những loại hợp nhất nào xảy ra, tần suất của từng loại, mỗi loại tạo ra những nguyên tố nào và với số lượng bao nhiêu cũng như vai trò của các sự kiện khác như siêu tân tinh. Đó là một công việc khó khăn chỉ mới bắt đầu.

“Vẫn có mục tiêu cốt lõi là tìm ra các vị trí vật lý thiên văn nơi mọi nguyên tố đơn lẻ trong bảng tuần hoàn được hình thành,” Levan nói. “Vẫn còn những khoảng trống, và vì vậy chúng tôi nghĩ rằng điều này đang bắt đầu lấp đầy một số khoảng trống quan trọng đó.”

Lưu ý của biên tập viên: Viện Flatiron được tài trợ bởi Quỹ Simons, tổ chức này cũng tài trợ cho tạp chí biên tập độc lập này. Cả Viện Flatiron và Quỹ Simons đều không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến phạm vi đưa tin của chúng tôi. Thêm thông tin có sẵn tại đây.