Phát hiện ngôi sao xung quay với tốc độ hơn 700 vòng mỗi giây
Kiến thức - Học thuật - Ngày đăng : 15:50, 06/11/2024
Phát hiện ngôi sao xung quay với tốc độ hơn 700 vòng mỗi giây
Một ngôi sao neutron cách chúng ta 27.400 năm ánh sáng dường như đang ở trạng thái kinh ngạc nhất mà chúng ta từng thấy.
Trong hệ sao đôi 4U 1820-30, một ngôi sao neutron quay nhanh đến mức nó hoàn thành 716 vòng quay mỗi giây. Để hiểu được tốc độ quay khủng khiếp như thế nào thì chúng ta cần biết tốc độ của các ổ cứng cơ phổ biến hiện giờ là 90 hay 120 vòng mỗi giây. Cho đến nay, chưa có ngôi sao nào được phát hiện quay nhanh hơn, và chỉ có sao xung nổi tiếng PSR J1748-2446ad được phát hiện quay với tốc độ đó.
Nhóm nghiên cứu do nhà vật lý thiên văn Gaurava Jaisawal từ Đại học Kỹ thuật Đan Mạch dẫn đầu, cho biết khám phá này giúp xác nhận cơ sở về giới hạn trên lý thuyết hiện tại cho tốc độ quay của sao neutron, được cho là khoảng 730 vòng quay mỗi giây.
Jaisawal nói: "Chúng tôi đã nghiên cứu các vụ nổ nhiệt hạch từ hệ sao này và sau đó phát hiện ra những dao động đáng chú ý. Nếu các quan sát trong tương lai xác nhận điều này, ngôi sao neutron 4U 1820-30 sẽ là một trong những vật thể quay nhanh nhất từng được quan sát thấy trong Vũ trụ".
Sao neutron là một trong những giai đoạn tiến hóa cuối cùng trong vòng đời của một ngôi sao khổng lồ. Khi một ngôi sao có khối lượng từ khoảng 8 đến 30 lần Mặt trời đã hết nguyên liệu cho phản ứng tổng hợp, tức là hết nguyên tử mà nó có thể tạo ra phản ứng tổng hợp trong lõi của mình; ngôi sao đó sẽ phát nổ đẩy vật chất bên ngoài ra ngoài trong một vụ nổ siêu tân tinh. Trong khi đó, phần lõi không còn chịu áp lực đẩy ra ngoài do phản ứng hợp hạch cung cấp, sẽ sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó.
Lõi sụp đổ còn lại đó là sao neutron, một vật thể có khối lượng từ khoảng 1,1 đến 2,3 lần Mặt trời nhưng có kích thước chỉ bằng một quả cầu nhỏ với đường kính 20 km. Vật chất bị dồn đặc bên trong những vật thể này có thể trở nên kỳ lạ dẫn đến hành vi của chúng cũng vậy.
Chúng ta có nhiều tên gọi khác nhau để phân loại hành vi này. Sao từ là sao neutron có từ trường cực mạnh. Và sao xung là sao neutron quay cực nhanh, phát ra các chùm sóng vô tuyến từ các cực của chúng để chúng xuất hiện 'xung' trong không gian giống như một ngọn hải đăng vũ trụ.
Chúng ta đã biết 4U 1820-30 tồn tại ít nhất là từ những năm 1980. Đây là hệ sao đôi trong chòm sao Nhân Mã bao gồm một sao neutron và một sao lùn trắng, trên một quỹ đạo thực sự gần gũi với chu kỳ chỉ 11,4 phút.
Khoảng cách gần của hai ngôi sao có nghĩa là sao neutron đủ gần để “ăn thịt” bạn đồng hành của nó, tức là sao neutron sẽ hút vật chất từ sao đồng hành nhờ lực hấp dẫn và vật chất bị hút đó sẽ tích tụ trên bề mặt của sao neutron.
Sự tích tụ khối lượng này trở nên dày đặc hơn và nóng hơn khi nó tích tụ nhiều hơn. Sau khi "ăn no nê”, sao neutron sẽ đủ nguyên liệu để tạo ra một vụ nổ nhiệt hạch.
Jaisawal và các đồng nghiệp đã cố gắng nghiên cứu những vụ nổ này bằng cách sử dụng Kính viễn vọng chuyên quan sát thành phần bên trong sao neutron (NICER) của NASA, một kính viễn vọng tia X gắn trên Trạm vũ trụ quốc tế.
Nhà vật lý thiên văn Jerome Chenevez từ Đại học Kỹ thuật Đan Mạch cho biết: “Trong những vụ nổ này, sao neutron sáng hơn mặt trời tới 100.000 lần, giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Vì vậy, chúng ta đang giải quyết những sự kiện cực kỳ "bạo lực" trong vũ trụ. Bằng cách nghiên cứu chúng, ta có được những hiểu biết mới về vòng đời hiện tại của các hệ sao đôi và sự hình thành các nguyên tố trong Vũ trụ".
Nhóm nghiên cứu đã ghi lại 15 vụ nổ nhiệt hạch này trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến năm 2022. Nhưng khi họ phân tích dữ liệu, họ phát hiện ra một điều kỳ lạ. Một trong những vụ nổ có một dấu hiệu kỳ lạ, dao động với tần số 716 Hz. Ngôi sao như thể đang quay khi phun trào - điều mà các nhà nghiên cứu xác định là có khả năng xảy ra.
Điều này có nghĩa là sao neutron 4U 1820-30 là một sao xung tia X, với chu kỳ 716 vòng quay mỗi phút, được cung cấp năng lượng bởi các vụ nổ nhiệt hạch. Vì PSR J1748-2446ad là một sao xung vô tuyến, nên 4U 1820-30 trở thành sao xung năng lượng quay nhanh nhất được biết đến từ trước đến giờ.
Cần có thêm nhiều quan sát để xác minh phát hiện này. Tuy nhiên, nếu được xác nhận, kết quả sẽ cung cấp cho chúng ta một công cụ mới để nghiên cứu các sao neutron và các điểm cực đại mà chúng có thể đạt tới trước khi tự hủy.
Các sao neutron đều có đặc điểm chung là quay rất nhanh ngay sau khi hình thành. Chúng giữ lại phần lớn mô men động lượng của ngôi sao ban đầu, theo định luật bảo toàn mômen động lượng, nhưng có bán kính chỉ bằng một phần nhỏ so với bán kính sao ban đầu. Mô men quán tính và khối lượng không đổi làm cho tốc độ quay tăng lên một giá trị rất lớn; giống như một người trượt băng thu tay hoặc chân lại, tốc độ quay chậm ban đầu của lõi sao tăng dần lên khi nó co lại. Theo lý thuyết, một ngôi sao neutron mới ra đời có thể quay một vòng trong khoảng từ 1/700 của giây cho đến 30 giây.
Cùng với thời gian, sao neutron dần quay chậm lại vì các từ trường quay của chúng phát ra năng lượng; các ngôi sao neutron già có thể phải mất tới nhiều giây cho mỗi vòng quay. Tỷ lệ giảm tốc độ quay của các ngôi sao neutron thường liên tục và rất nhỏ: các tỷ lệ đã được quan sát thấy ở trong khoảng 10−10 và 10−21 giây cho mỗi vòng quay. Nói theo cách khác, tỷ lệ giảm tiêu biểu là 10−15 giây mỗi vòng, có nghĩa một ngôi sao neutron đang quay với tốc độ 1 giây sẽ quay với tốc độ 1,000003 sau một thế kỷ, hay 1,03 giây sau 5 triệu năm.