Kính viễn vọng Fermi của NASA tìm thấy sao đôi phá vỡ kỷ lục ở thiên hà bên cạnh

Hệ thống sao đôi được đặt tên là LMC P3 này có chứa một ngôi sao lớn và một lõi của ngôi sao đã bị nghiền nát, chúng tương tác với nhau để tạo ra một chu kỳ tràn ngập các tia gamma – dạng năng lượng mạnh nhất của ánh sáng.

Trưởng nhóm nghiên cứu – Robin Corbet tại Trung tâm Bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland – phát biểu: “Fermi chỉ phát hiện được 5 hệ thống sao như vậy ở trong thiên hà của chúng ta, vì thế việc tìm thấy một hệ thống sao đôi sáng và ở xa như vậy là hết sức thú vị. Sao đôi bùng nổ tia gamma được đánh giá cao vì tia gamma phát ra thay đổi đáng kể trong mỗi quỹ đạo và đôi khi trên những thang thời gian lâu hơn. Sự thay đổi này cho phép chúng ta nghiên cứu những chi tiết độc đáo của nhiều quá trình phát thải chung cho các nguồn tia gamma khác”.

Những hệ thống sao hiếm có này chứa một ngôi sao nơ-tron hoặc một hố đen, và hầu hết năng lượng của chúng phát ra ở dạng tia gamma. Đáng chú ý, LMC P3 là hệ thống sáng nhất được biết đến trong các tia gamma, tia X, sóng vô tuyến và ánh sáng nhìn thấy được. Và nó chỉ là phát hiện thứ 2 mà Fermi thấy được.

LMC P3 nằm trong vùng mở rộng của các mảnh vỡ sau một vụ nổ siêu tân tinh nằm trong LMC – một thiên hà nhỏ bên cạnh cách chúng ta khoảng 163.000 năm ánh sáng. Năm 2012, nhờ Đài thiên văn tia X Chandra của NASA, các nhà khoa học đã tìm thấy một nguồn tia X mạnh mẽ trong tàn dư siêu tân tinh này và thấy rằng nó quay xung quanh một ngôi sao trẻ, nóng có khối lượng lớn hơn nhiều lần so với mặt trời. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng vật thể rắn chắc này có thể là một ngôi sao nơ-tron hoặc là một hố đen và phân loại hệ thống này là một ngôi sao đôi có khối lượng lớn phát ra tia X (HMXB).

Năm 2015, nhóm của Corbet đã bắt đầu tìm kiếm các sao đôi phát ra tia gamma mới trong dữ liệu của Fermi bằng cách kiểm tra các thay đổi theo chu kỳ đặc trưng cho những hệ thống này. Các nhà khoa học phát hiện một thay đổi theo chu kỳ 10,3 ngày tập trung ở gần 1 trong số các nguồn phát tia gamma mới được xác định gần đây ở LMC. Một trong số chúng - được gọi là P3 – không được nhìn thấy ở bất kỳ độ dài bước sóng nào nhưng lại nằm ở gần HMXB. Liệu chúng có phải cùng một đối tượng?

Để tìm hiểu điều này, nhóm của Corbet đã nghiên cứu sao đôi trong tia X bằng vệ tinh Swift của NASA ở bước sóng vô tuyến, và Mạng lưới kính viễn vọng của Úc - Australia Telescope Compact Array - nằm gần Narrabri trong ánh sáng nhìn thấy được, Kính viễn vọng Southern Astrophysical Research Telescope ở Cerro Pachón, Chi-Lê, và kính thiên văn cao 1,9m ở Đài quan sát thiên văn Nam Phi – gần Cape Town.

Các quan sát của Swift đã thể hiện rõ ràng cùng một chu kỳ phát thải 10,3 ngày như đã nhìn thấy trong tia gamma bởi kính Fermi. Họ cũng chỉ ra rằng, sự phát xạ tia X sáng nhất này xảy ra đối diện với đỉnh tia gamma, vì thế khi một tia đạt đến mức tối đa thì tia còn lại ở mức tối thiểu. Dữ liệu vô tuyến cũng thể hiện cùng một chu kỳ và mối quan hệ về giai đoạn đỉnh của tia gamma. Điều đó xác nhận rằng LMC P3 thực sự là cùng một hệ thống mà Chandra đã phát hiện ra.

Thành viên của nhóm nghiên cứu – Jay Strader, một nhà thiên văn tại Đại học bang Michigan, East Lansing – cho biết: “Các quan sát quang học cho thấy những thay đổi do chuyển động quỹ đạo của sao đổi, nhưng bởi vì chúng tôi vẫn chưa biết làm thế nào để quỹ này nghiêng vào tầm nhìn thấy của chúng ta, nên chỉ có thể ước tính khối lượng đơn lẻ. Ngôi sao có khối lượng lớn hơn mặt trời từ 25 – 40 lần, và nếu chúng ta xem xét hệ thống này ở góc độ nằm giữa mặt trên và cạnh trên, thì có khả năng có ngôi sao đồng hành là một ngôi sao nơ-tron lớn gấp 2 lần mặt trời”. Tuy nhiên, nếu chúng ta xem xét ngôi sao đôi này gần như trực diện, thì ngôi sao đồng hành sẽ có khối lượng lớn hơn đáng kể và phải là một hố đen.

Cả hai đối tượng này đều hình thành khi một ngôi sao lớn hết năng lượng, sụp đổ dưới sức nặng của nó và phát nổ như một siêu tân tinh. Phần lõi bị nghiền nát của ngôi sao này có thể trở thành một ngôi sao nơ-tron, với khối lượng khoảng 500.000 lần Trái đất và bị nén vào một quả bóng không lớn hơn Washington D.C. hoặc nó có thể bị nén chặt hơn nữa thành một hố đen, cùng với một trường hấp dẫn mạnh mẽ đến nối mà cả ánh sáng cũng không thể thoát ra được.

Bề mặt của ngôi sao trung tâm của LMC P3 có nhiệt độ trên 33.000 độ C – hoặc nóng hơn mặt trời tới hơn 6 lần. Ngôi sao này sáng đến nỗi áp lực từ ánh áng mà nó phát ra thực sự định hướng cho các vật chất trên bề mặt tạo thành các luồng hạt với vận tốc khoảng vài triệu dặm/giờ.

Trong ngôi sao đôi tia gamma này, ngôi sao đồng hành được cho là đã nén lại để tạo thành một “cơn gió” của chính nó, bao gồm các hạt electron được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng. Các luồng gió này tương tác tạo ra tia X và sóng điện từ xuyên suốt quỹ đạo, nhưng các phát xạ này sẽ được nhìn thấy là mạnh mẽ nhất khi ngôi sao đồng hành di chuyển dọc theo một phần của quỹ đạo của nó mà gần với Trái đất nhất.

Thông qua một cơ chế khác, cơn gió các hạt điện tử cũng phát ra tia gamma. Khi ánh sáng từ ngôi sao va chạm với các hạt điện tử có năng lượng cao, nó sẽ được tăng lên mức tia gamma. Quá trình này được gọi là nghịch đảo tán xạ Compton, tạo ra nhiều tia gamma hơn khi ngôi sao đồng hành đi gần ngôi sao nơ-tron ở phía xa trên quỹ đạo khi quan sát theo góc nhìn của chúng ta.

Trước khi Fermi ra mắt, các ngôi sao đôi phát ra tia gamma đã được dự kiến là sẽ có nhiều hơn so với số lượng hiện tại. Hàng trăm HMXB đã được liệt kê, và các hệ thống này được cho là có nguồn gốc từ các ngôi sao đôi tia gamma sau khi một siêu tân tinh hình thành nên các đối tượng đồng hành.

Một thành viên khác của nhóm nghiên cứu, Guillaume Dubus – từ viện Vật lý thiên văn và Hành tinh học Grenoble ở Pháp cho biết: “Một khả năng là sao đôi bùng nổ tia gamma mà Fermi phát hiện này là trường hợp hiếm hoi, khi một siêu tân tình hình thành một ngôi sao nơ-tron với tốc độ quay đặc biệt nhanh, điều này sẽ làm tăng cường cách nó tạo ra các hạt được gia tốc và các tia gamma”.

Kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi của NASA là một chương trình hợp tác về vật lý thiên văn và vật lý hạt , được hợp tác phát triển bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ với các tổ chức khoa học và các đối tác có những đóng góp quan trọng ở Pháp, Đức, Ý, Nhật, Thụy Điển và Hoa Kỳ.

Anh Thư (Tổng hợp Sciencedaily, Nasa)