Lần đầu tiên chụp hình được hai sao neutron sáp nhập tạo ra sóng hấp dẫn
Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà khoa học đã chụp ảnh được sự va chạm giữa hai sao neutron, một sự kiện tạo ra sóng hấp dẫn được tiên đoán từ lâu nhưng chưa bao giờ được quan sát trực tiếp.
Sự kiện hai sao neutron sáp nhập nhau được các nhà thiên văn đặt tên là GW170817, nằm cách Trái Đất 130 triệu năm ánh sáng. Việc ghi nhận này có được là do sự báo trước về thời gian và vị trí của sóng hấp dẫn từ LIGO đến các đài quan sát trên khắp thế giới.
Ngày 17 tháng 8 vừa qua, Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế Laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, hay LIGO) của Hoa Kỳ đã cùng làm việc với Giao thoa kế Virgo ở Ý, để xác định nguồn sóng hấp dẫn sẽ đi đến Trái Đất. Đây là lần thứ năm sóng hấp dẫn được phát hiện.
Lần đầu tiên sóng hấp dẫn được ghi nhận là vào tháng 2 năm 2016, bởi sự va chạm của hai hố đen. Ba lần xác định sóng hấp dẫn sau đó cũng có nguồn xuất phát từ hai hố đen sáp nhập vào nhau. Các hố đen vốn hút hết mọi thứ kể cả ánh sáng, nên đó là lý do chúng ta chưa bao giờ quan sát được nó va chạm trước đó.
Ngoài sự sáp nhập hố đen, nếu hai sao neutron khi va chạm vào nhau cũng tạo ra sóng hấp dẫn. Và lần xác định sóng hấp dẫn thứ 5 này, chính là sự chạm nhau của hai sao neutron. Sao neutron khác với các hố đen, chúng phát ra ánh sáng quan sát được và sự kiện này tạo ra vụ nổ tia gamma cực sáng và rất nhiều năng lượng bùng phát.
Sao neutron là những gì còn sót lại sau khi một ngôi sao siêu nặng hoàn thành chu trình sống của mình. Ngôi sao tự sụp đổ vào trong lõi, ép các proton và electron vào notron và neutrino. Neutrino thoát được ra bên ngoài, nhưng notron thì không và bị nén lại vào vùng không gian có đường kính chỉ từ 10 đến 20 km.
Nếu lõi này có khối lượng nhỏ hơn ba lần khối lượng Mặt Trời, thì áp suất và mật độ dày đặc khiến nó trở thành một sao neutron. Còn nếu lớn hơn như thế, nó sẽ trở thành một hố đen với lực hấp dẫn cực kỳ lớn, hút mọi vật chất xung quanh nó vào bên trong.
Để thực hiện được quan sát này, khoảng 70 điểm trạm quan sát trên Trái Đất và ngoài không gian đã cùng tham gia với LIGO và Virgo để quét vùng bầu trời thuộc chòm sao Hydra, ngay cạnh thiên hà NGC 4993. Máy dò đầu tiên đã bắt đầu công việc từ ngày 17 tháng 8 là máy của LIGO.
Sau đó khoảng 1,7 giây, hai đài quan sát là Kính Viễn vọng Không gian tia Gamma Fermi của NASA và Đài Quan sát Vật lý thiên văn tia Gamma INTErnational của ESA đã ghi nhận được một nổ tia gamma dữ dội – là sự kiện sáng nhất và nhiều năng lượng nhất trong vũ trụ – từ vùng trời đó.
Sóng ghi nhận sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu âm thanh. Ở các vụ va chạm của hai hố đen, độ dài của sóng chỉ vào một phần nhỏ của giây, trong khi sự kiện GW170817 kéo dài đến khoảng 100 giây. Đó không phải sự trùng hợp ngẫu nhiên, mà là phát hiện tuyệt vời khi hướng ống kính quan sát về chòm sao Hydra.
Hai sao neutron sáp nhập tạo thành sự kiện GW170817 có khối lượng vào khoảng 1,1 lần và 1,6 lần so với khối lượng Mặt Trời, chuyển động quanh nhau ở khoảng cách 300 km, làm bẻ cong không-thời gian xung quanh và bắn những cơn sóng ra khắp vũ trụ.
Do khoảng cách từ chúng ta đến nó là khá xa, nên ta không thấy được hết cường độ sáng khủng khiếp của nó. Từ Trái Đất, ta có thể nhận thấy được sự thay đổi độ sáng trong lúc sự kiện xảy ra, nó là một quả cầu lửa khổng lồ liên tục bắn phá tia gamma vào vũ trụ.
NASA thiết lập các đài quan sát ngoài không gian của mình là Swift, Hubble và Spitzer hướng nhìn về vùng trời ở chòm sao Hydra để ghi lại hình ảnh qua ánh sáng khả kiến trong khi đài quan sát Chandra thì tìm kiếm tia X phát ra và tàn dư sau vụ nổ này xảy ra.
Ngoài NASA, Cơ quan Hàng không Âu Châu (ESA) cũng tham gia sự kiện quan sát này. Kính thiên văn Khảo sát qua Ánh sáng hồng ngoại và Ánh sáng khả kiến (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, hay VISTA) và Hệ thống Kính thiên văn khảo sát VLT (VST) ở Đài quan sát Paranal cùng REM ở Đài quan sát La Silla của ESO, tất cả đặt tại Chile đã hướng lên bầu trời vào khoảnh khắc sự kiện diễn ra.
Từ Hawaii, Hệ thống Kính thiên văn Khảo sát và Phản hồi Nhanh (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, hay Pan-STARRS) cùng Đài quan sát Subaru của Trung tâm Quan sát Quốc gia Nhật Bản cũng kịp thời hướng ống kính lên vùng trời diễn ra sự kiện và chụp được hình ảnh của sự va chạm hai sao neutron.
Trong vài tuần hoặc vài tháng tiếp theo, các đài quan sát sẽ tiếp tục quan sát những vụ va chạm để tìm hiểu thêm về những sự kiện tương tự như vậy. LIGO-Virgo sẽ thông báo sớm đến các đài quan sát trên khắp thế giới để tất cả cùng có thể chứng kiến được những sự kiện như thế trong tương lai.
 |
| Mô phỏng hai sao neutron tuy nhỏ nhưng cực kỳ đậm đặc va chạm vào nhau, tạo thành một vụ nổ kilonova. Sự kiện này tạo ra sóng hấp dẫn và một vụ nổ tia gamma ngắn. Đồ họa: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser. |
Sự kiện hai sao neutron sáp nhập nhau được các nhà thiên văn đặt tên là GW170817, nằm cách Trái Đất 130 triệu năm ánh sáng. Việc ghi nhận này có được là do sự báo trước về thời gian và vị trí của sóng hấp dẫn từ LIGO đến các đài quan sát trên khắp thế giới.
Ngày 17 tháng 8 vừa qua, Đài quan trắc Sóng hấp dẫn bằng Giao thoa kế Laser (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, hay LIGO) của Hoa Kỳ đã cùng làm việc với Giao thoa kế Virgo ở Ý, để xác định nguồn sóng hấp dẫn sẽ đi đến Trái Đất. Đây là lần thứ năm sóng hấp dẫn được phát hiện.
Lần đầu tiên sóng hấp dẫn được ghi nhận là vào tháng 2 năm 2016, bởi sự va chạm của hai hố đen. Ba lần xác định sóng hấp dẫn sau đó cũng có nguồn xuất phát từ hai hố đen sáp nhập vào nhau. Các hố đen vốn hút hết mọi thứ kể cả ánh sáng, nên đó là lý do chúng ta chưa bao giờ quan sát được nó va chạm trước đó.
Ngoài sự sáp nhập hố đen, nếu hai sao neutron khi va chạm vào nhau cũng tạo ra sóng hấp dẫn. Và lần xác định sóng hấp dẫn thứ 5 này, chính là sự chạm nhau của hai sao neutron. Sao neutron khác với các hố đen, chúng phát ra ánh sáng quan sát được và sự kiện này tạo ra vụ nổ tia gamma cực sáng và rất nhiều năng lượng bùng phát.
 |
| Hình ảnh thực tế khu vực thiên hà NGC 4993 cùng vụ va chạm của hai sau neutron cách chúng ta 130 triệu năm ánh sáng qua ánh sáng khả kiến, được chụp bởi Kính thiên văn Rất lớn (VLT) ở Đài quan sát Paranal của ESO tại Chile. Hình ảnh: ESO/A.J. Levan, N.R. Tanvir. |
Sao neutron là những gì còn sót lại sau khi một ngôi sao siêu nặng hoàn thành chu trình sống của mình. Ngôi sao tự sụp đổ vào trong lõi, ép các proton và electron vào notron và neutrino. Neutrino thoát được ra bên ngoài, nhưng notron thì không và bị nén lại vào vùng không gian có đường kính chỉ từ 10 đến 20 km.
Nếu lõi này có khối lượng nhỏ hơn ba lần khối lượng Mặt Trời, thì áp suất và mật độ dày đặc khiến nó trở thành một sao neutron. Còn nếu lớn hơn như thế, nó sẽ trở thành một hố đen với lực hấp dẫn cực kỳ lớn, hút mọi vật chất xung quanh nó vào bên trong.
 |
| Bản đồ vùng trời các máy dò quét tìm kiếm sóng hấp dẫn (màu xám), vùng trời xác định có sóng hấp dẫn bởi Kính viễn vọng Không gian tia Gamma Fermi của NASA (màu tím), vùng trời thu hẹp xác định có sóng hấp dẫn bởi LIGO-Virgo (xanh lục), và nơi chính xác diễn ra sự kiện (ngôi sao màu vàng viền đỏ). Đồ họa: NASA/ESO. |
Để thực hiện được quan sát này, khoảng 70 điểm trạm quan sát trên Trái Đất và ngoài không gian đã cùng tham gia với LIGO và Virgo để quét vùng bầu trời thuộc chòm sao Hydra, ngay cạnh thiên hà NGC 4993. Máy dò đầu tiên đã bắt đầu công việc từ ngày 17 tháng 8 là máy của LIGO.
Sau đó khoảng 1,7 giây, hai đài quan sát là Kính Viễn vọng Không gian tia Gamma Fermi của NASA và Đài Quan sát Vật lý thiên văn tia Gamma INTErnational của ESA đã ghi nhận được một nổ tia gamma dữ dội – là sự kiện sáng nhất và nhiều năng lượng nhất trong vũ trụ – từ vùng trời đó.
 |
| Thiên hà NGC 4993 trong chòm sao Hydra vào thời khắc xảy ra sự kiện hai sao neutron sáp nhập vào nhau và tạo ra sóng hấp dẫn được chụp bởi Kính Viễn vọng Không gian Hubble. Hình ảnh: Hubble/NASA. |
Sóng ghi nhận sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu âm thanh. Ở các vụ va chạm của hai hố đen, độ dài của sóng chỉ vào một phần nhỏ của giây, trong khi sự kiện GW170817 kéo dài đến khoảng 100 giây. Đó không phải sự trùng hợp ngẫu nhiên, mà là phát hiện tuyệt vời khi hướng ống kính quan sát về chòm sao Hydra.
Hai sao neutron sáp nhập tạo thành sự kiện GW170817 có khối lượng vào khoảng 1,1 lần và 1,6 lần so với khối lượng Mặt Trời, chuyển động quanh nhau ở khoảng cách 300 km, làm bẻ cong không-thời gian xung quanh và bắn những cơn sóng ra khắp vũ trụ.
 |
| Ba mươi giây tín hiệu từ hai sao neutron xuất hiện trong máy dò của LIGO. Tín hiệu này kéo dài thực tế tổng cộng đến 100 giây. Hình ảnh: Caltech/MIT/LIGO Lab. |
Do khoảng cách từ chúng ta đến nó là khá xa, nên ta không thấy được hết cường độ sáng khủng khiếp của nó. Từ Trái Đất, ta có thể nhận thấy được sự thay đổi độ sáng trong lúc sự kiện xảy ra, nó là một quả cầu lửa khổng lồ liên tục bắn phá tia gamma vào vũ trụ.
NASA thiết lập các đài quan sát ngoài không gian của mình là Swift, Hubble và Spitzer hướng nhìn về vùng trời ở chòm sao Hydra để ghi lại hình ảnh qua ánh sáng khả kiến trong khi đài quan sát Chandra thì tìm kiếm tia X phát ra và tàn dư sau vụ nổ này xảy ra.
Ngoài NASA, Cơ quan Hàng không Âu Châu (ESA) cũng tham gia sự kiện quan sát này. Kính thiên văn Khảo sát qua Ánh sáng hồng ngoại và Ánh sáng khả kiến (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy, hay VISTA) và Hệ thống Kính thiên văn khảo sát VLT (VST) ở Đài quan sát Paranal cùng REM ở Đài quan sát La Silla của ESO, tất cả đặt tại Chile đã hướng lên bầu trời vào khoảnh khắc sự kiện diễn ra.
Từ Hawaii, Hệ thống Kính thiên văn Khảo sát và Phản hồi Nhanh (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, hay Pan-STARRS) cùng Đài quan sát Subaru của Trung tâm Quan sát Quốc gia Nhật Bản cũng kịp thời hướng ống kính lên vùng trời diễn ra sự kiện và chụp được hình ảnh của sự va chạm hai sao neutron.
Trong vài tuần hoặc vài tháng tiếp theo, các đài quan sát sẽ tiếp tục quan sát những vụ va chạm để tìm hiểu thêm về những sự kiện tương tự như vậy. LIGO-Virgo sẽ thông báo sớm đến các đài quan sát trên khắp thế giới để tất cả cùng có thể chứng kiến được những sự kiện như thế trong tương lai.
Tuấn Anh
theo NASA, ESA, LIGO
