Một tia sáng tia X mạnh phát ra từ vụ nổ sao mới trên một sao lùn trắng đã thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn học sử dụng Tàu thăm dò Einstein Trung Quốc-Châu Âu. Siêu tân tinh này đặc biệt thú vị vì sao lùn trắng mà nó được phát hiện nằm trong một hệ sao đôi đặc biệt khác thường.
Vụ bùng phát năng lượng cao được phát hiện vào ngày 27 tháng 5 năm 2024 phát ra từ một hệ sao trong Đám mây Magellan Nhỏ (SMC), một vệ tinh lân cận của thiên hà Ngân Hà của chúng ta.
"Chúng tôi đang đuổi theo những nguồn sáng thoáng qua, thì tình cờ bắt gặp đốm sáng tia X mới này trong SMC", Alessio Marino thuộc Viện Khoa học Không gian ở Tây Ban Nha cho biết trong tuyên bố. "Chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi đang nhìn vào một thứ gì đó bất thường, [một thứ gì đó] mà chỉ Einstein Probe mới có thể phát hiện ra."
Einstein Probe được phóng vào tháng 1 năm 2024 để nghiên cứu vũ trụ năng lượng cao và trong số các thiết bị của nó có Kính viễn vọng tia X trường rộng (WXT), đây là kính viễn vọng tia X duy nhất hiện đang ở trên quỹ đạo có thể phát hiện tia X năng lượng thấp với độ nhạy đủ để xác định chính xác nguồn của chúng.
Và trong trường hợp này, nguồn là một cặp sao kỳ lạ.
Một trong những ngôi sao có khối lượng khá lớn, tổng cộng khoảng 12 lần khối lượng của mặt trời. Nó được gọi là một ngôi sao "Be", nghĩa là nó thuộc loại quang phổ B (loại nóng thứ hai của sao dãy chính) và nó thể hiện các vạch phát xạ quang phổ mạnh.
Bạn đồng hành của nó là một ngôi sao sao lùn trắng có khối lượng lớn hơn mặt trời của chúng ta khoảng 20%. Sao lùn trắng là giai đoạn cuối của các ngôi sao giống mặt trời đã đẩy các lớp bên ngoài của chúng ra để lộ lõi của chúng.
Trong sự phân đôi này giữa hai vật thể mà một nghịch lý sao nằm. Một ngôi sao giống mặt trời có thể tồn tại ít nhất hàng trăm triệu năm, hoặc trong trường hợp thực tế của mặt trời, là hàng tỷ năm, trước khi nó trở thành một sao lùn trắng. Tuy nhiên, một ngôi sao có khối lượng bằng 12 lần khối lượng mặt trời sẽ phát nổ thành một siêu tân tinh chỉ sau 20 triệu năm. Vậy, xét đến sự khác biệt lớn về tuổi thọ, làm sao ngôi sao Be này có thể quay cùng quỹ đạo với một sao lùn trắng đồng hành?
Giải pháp có vẻ là ngôi sao Be và sao lùn trắng đang chia sẻ vật chất, thay phiên nhau ăn nhau như ma cà rồng. Ban đầu, các nhà khoa học tin rằng hệ thống này có thể chứa hai ngôi sao có khối lượng lần lượt gấp sáu và tám lần khối lượng Mặt trời của chúng ta. Ngôi sao càng lớn thì nó càng sử dụng hết nhiên liệu cho các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của mình nhanh hơn và tuổi thọ của nó càng ngắn hơn.
Vì vậy, ngôi sao có khối lượng bằng tám mặt trời sẽ đạt đến điểm này trước. Khi các phản ứng tổng hợp trong lõi của nó bắt đầu ngừng lại, áp suất bức xạ của năng lượng được tạo ra trong các phản ứng đó bắt đầu giảm xuống. Năng lượng này giữ cho ngôi sao chống lại lực kéo hướng vào của lực hấp dẫn của chính nó, và khi luồng bức xạ này yếu đi, nó sẽ dẫn đến lực hấp dẫn khiến các lớp bên ngoài xung quanh lõi trở nên chặt chẽ hơn, làm tăng nhiệt độ để phản ứng tổng hợp có thể bùng cháy ngẫu nhiên trong các lớp bên ngoài của ngôi sao. Điều này sẽ dẫn đến các xung động vang vọng qua ngôi sao, làm phồng các đầu ngoài của nó lên để nó trở thành một ngôi sao khổng lồ.
Lúc này, các lớp ngoài của ngôi sao khổng lồ có khối lượng bằng tám lần Mặt trời này sẽ dễ bị lực hấp dẫn của ngôi sao nhỏ hơn đánh cắp. Vào thời điểm đó, hai ngôi sao chỉ cách nhau vài triệu dặm, quay quanh nhau ba ngày một lần. Khoảng cách gần này sẽ cho phép lực hấp dẫn của ngôi sao nhỏ hơn bắt đầu đánh cắp vật chất từ ngôi sao lớn hơn, làm nó nhỏ lại. Cuối cùng, ngôi sao có khối lượng bằng sáu lần Mặt trời sẽ phát triển lên 12 lần khối lượng Mặt trời, trong khi tất cả những gì còn lại của ngôi sao có khối lượng bằng tám lần Mặt trời là lõi của nó: một sao lùn trắng có khối lượng gấp 1,23 lần Mặt trời của chúng ta.
Bây giờ, sao lùn trắng nhỏ gọn hơn đang trả ơn, lực hấp dẫn của nó đánh cắp lại vật chất được giữ lỏng lẻo từ ngôi sao có khối lượng bằng 12 lần Mặt trời. Khi vật liệu này chảy ngược trở lại sao lùn trắng, áp suất và nhiệt độ tại điểm bồi tụ trên bề mặt sao lùn trắng tăng lên, cho đến khi một vụ nổ nhiệt hạch cục bộ bùng nổ. Điều này dẫn đến một vụ nổ sao mới, hoặc một vụ bùng nổ ánh sáng rực rỡ, bao gồm cả tia X.
Đó là những gì Einstein Probe nhìn thấy.
"Nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta những hiểu biết mới về một giai đoạn tiến hóa sao hiếm khi được quan sát, là kết quả của quá trình trao đổi vật chất phức tạp hẳn đã xảy ra giữa hai ngôi sao", Ashley Chrimes của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu cho biết trong tuyên bố. "Thật thú vị khi thấy một cặp sao lớn tương tác có thể tạo ra một kết quả hấp dẫn như vậy."
Việc trao đổi vật chất cũng đã thay đổi số phận của hai vật thể sao. Thông thường, một ngôi sao có khối lượng bằng sáu mặt trời sẽ kết thúc vòng đời của nó bằng cách phình to thành một sao sao khổng lồ đỏ, trước khi loại bỏ các lớp bên ngoài của nó để lại một sao lùn trắng. Nhưng bằng cách tích tụ quá nhiều khối lượng từ người bạn đồng hành của mình, nó sẽ phát nổ như một siêu tân tinh.
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà thiên văn học không chắc chắn về nguyên nhân gây ra 'vụ nổ kỳ lạ' được mắt X-quang của Einstein Probe nhìn thấy
— Einstein Probe của Trung Quốc đã có những khám phá trong giai đoạn đưa vào hoạt động
— Tín hiệu không gian bí ẩn mà các nhà khoa học phát hiện ra vào năm 2024 là gì? Sau đây là một số khả năng
Trong khi đó, một ngôi sao có khối lượng bằng tám mặt trời nằm ngay trên ranh giới giữa các ngôi sao tiến hóa thành sao khổng lồ đỏ và các ngôi sao trở thành siêu tân tinh — nhưng ngôi sao này lại biến thành sao lùn trắng, điển hình hơn cho các ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn.
Điều đó không có nghĩa là cuối cùng nó sẽ không trở thành siêu tân tinh. Các vụ nổ siêu tân tinh loại Ia thúc đẩy sự hủy diệt của các ngôi sao lùn trắng đã tích tụ quá nhiều khối lượng. Giới hạn là 1,44 lần khối lượng mặt trời của chúng ta; sẽ không cần quá nhiều sự tích tụ để đẩy ngôi sao lùn trắng này qua bờ vực để nó tự xóa sổ trong một siêu tân tinh.
Cơ hội sống sót duy nhất của nó phụ thuộc vào việc người bạn đồng hành có khối lượng bằng 12 mặt trời của nó phát nổ trước. Bây giờ là cuộc chạy đua với thời gian để xem người bạn đồng hành nào sống sót lâu nhất.
Những phát hiện này đã được công bố vào ngày 18 tháng 2 trên The Astrophysical Journal Letters.
Vụ bùng phát năng lượng cao được phát hiện vào ngày 27 tháng 5 năm 2024 phát ra từ một hệ sao trong Đám mây Magellan Nhỏ (SMC), một vệ tinh lân cận của thiên hà Ngân Hà của chúng ta.
"Chúng tôi đang đuổi theo những nguồn sáng thoáng qua, thì tình cờ bắt gặp đốm sáng tia X mới này trong SMC", Alessio Marino thuộc Viện Khoa học Không gian ở Tây Ban Nha cho biết trong tuyên bố. "Chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi đang nhìn vào một thứ gì đó bất thường, [một thứ gì đó] mà chỉ Einstein Probe mới có thể phát hiện ra."
Einstein Probe được phóng vào tháng 1 năm 2024 để nghiên cứu vũ trụ năng lượng cao và trong số các thiết bị của nó có Kính viễn vọng tia X trường rộng (WXT), đây là kính viễn vọng tia X duy nhất hiện đang ở trên quỹ đạo có thể phát hiện tia X năng lượng thấp với độ nhạy đủ để xác định chính xác nguồn của chúng.
Và trong trường hợp này, nguồn là một cặp sao kỳ lạ.
Một trong những ngôi sao có khối lượng khá lớn, tổng cộng khoảng 12 lần khối lượng của mặt trời. Nó được gọi là một ngôi sao "Be", nghĩa là nó thuộc loại quang phổ B (loại nóng thứ hai của sao dãy chính) và nó thể hiện các vạch phát xạ quang phổ mạnh.
Bạn đồng hành của nó là một ngôi sao sao lùn trắng có khối lượng lớn hơn mặt trời của chúng ta khoảng 20%. Sao lùn trắng là giai đoạn cuối của các ngôi sao giống mặt trời đã đẩy các lớp bên ngoài của chúng ra để lộ lõi của chúng.
Trong sự phân đôi này giữa hai vật thể mà một nghịch lý sao nằm. Một ngôi sao giống mặt trời có thể tồn tại ít nhất hàng trăm triệu năm, hoặc trong trường hợp thực tế của mặt trời, là hàng tỷ năm, trước khi nó trở thành một sao lùn trắng. Tuy nhiên, một ngôi sao có khối lượng bằng 12 lần khối lượng mặt trời sẽ phát nổ thành một siêu tân tinh chỉ sau 20 triệu năm. Vậy, xét đến sự khác biệt lớn về tuổi thọ, làm sao ngôi sao Be này có thể quay cùng quỹ đạo với một sao lùn trắng đồng hành?
Giải pháp có vẻ là ngôi sao Be và sao lùn trắng đang chia sẻ vật chất, thay phiên nhau ăn nhau như ma cà rồng. Ban đầu, các nhà khoa học tin rằng hệ thống này có thể chứa hai ngôi sao có khối lượng lần lượt gấp sáu và tám lần khối lượng Mặt trời của chúng ta. Ngôi sao càng lớn thì nó càng sử dụng hết nhiên liệu cho các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của mình nhanh hơn và tuổi thọ của nó càng ngắn hơn.
Vì vậy, ngôi sao có khối lượng bằng tám mặt trời sẽ đạt đến điểm này trước. Khi các phản ứng tổng hợp trong lõi của nó bắt đầu ngừng lại, áp suất bức xạ của năng lượng được tạo ra trong các phản ứng đó bắt đầu giảm xuống. Năng lượng này giữ cho ngôi sao chống lại lực kéo hướng vào của lực hấp dẫn của chính nó, và khi luồng bức xạ này yếu đi, nó sẽ dẫn đến lực hấp dẫn khiến các lớp bên ngoài xung quanh lõi trở nên chặt chẽ hơn, làm tăng nhiệt độ để phản ứng tổng hợp có thể bùng cháy ngẫu nhiên trong các lớp bên ngoài của ngôi sao. Điều này sẽ dẫn đến các xung động vang vọng qua ngôi sao, làm phồng các đầu ngoài của nó lên để nó trở thành một ngôi sao khổng lồ.
Lúc này, các lớp ngoài của ngôi sao khổng lồ có khối lượng bằng tám lần Mặt trời này sẽ dễ bị lực hấp dẫn của ngôi sao nhỏ hơn đánh cắp. Vào thời điểm đó, hai ngôi sao chỉ cách nhau vài triệu dặm, quay quanh nhau ba ngày một lần. Khoảng cách gần này sẽ cho phép lực hấp dẫn của ngôi sao nhỏ hơn bắt đầu đánh cắp vật chất từ ngôi sao lớn hơn, làm nó nhỏ lại. Cuối cùng, ngôi sao có khối lượng bằng sáu lần Mặt trời sẽ phát triển lên 12 lần khối lượng Mặt trời, trong khi tất cả những gì còn lại của ngôi sao có khối lượng bằng tám lần Mặt trời là lõi của nó: một sao lùn trắng có khối lượng gấp 1,23 lần Mặt trời của chúng ta.
Bây giờ, sao lùn trắng nhỏ gọn hơn đang trả ơn, lực hấp dẫn của nó đánh cắp lại vật chất được giữ lỏng lẻo từ ngôi sao có khối lượng bằng 12 lần Mặt trời. Khi vật liệu này chảy ngược trở lại sao lùn trắng, áp suất và nhiệt độ tại điểm bồi tụ trên bề mặt sao lùn trắng tăng lên, cho đến khi một vụ nổ nhiệt hạch cục bộ bùng nổ. Điều này dẫn đến một vụ nổ sao mới, hoặc một vụ bùng nổ ánh sáng rực rỡ, bao gồm cả tia X.
Đó là những gì Einstein Probe nhìn thấy.
"Nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta những hiểu biết mới về một giai đoạn tiến hóa sao hiếm khi được quan sát, là kết quả của quá trình trao đổi vật chất phức tạp hẳn đã xảy ra giữa hai ngôi sao", Ashley Chrimes của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu cho biết trong tuyên bố. "Thật thú vị khi thấy một cặp sao lớn tương tác có thể tạo ra một kết quả hấp dẫn như vậy."
Việc trao đổi vật chất cũng đã thay đổi số phận của hai vật thể sao. Thông thường, một ngôi sao có khối lượng bằng sáu mặt trời sẽ kết thúc vòng đời của nó bằng cách phình to thành một sao sao khổng lồ đỏ, trước khi loại bỏ các lớp bên ngoài của nó để lại một sao lùn trắng. Nhưng bằng cách tích tụ quá nhiều khối lượng từ người bạn đồng hành của mình, nó sẽ phát nổ như một siêu tân tinh.
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà thiên văn học không chắc chắn về nguyên nhân gây ra 'vụ nổ kỳ lạ' được mắt X-quang của Einstein Probe nhìn thấy
— Einstein Probe của Trung Quốc đã có những khám phá trong giai đoạn đưa vào hoạt động
— Tín hiệu không gian bí ẩn mà các nhà khoa học phát hiện ra vào năm 2024 là gì? Sau đây là một số khả năng
Trong khi đó, một ngôi sao có khối lượng bằng tám mặt trời nằm ngay trên ranh giới giữa các ngôi sao tiến hóa thành sao khổng lồ đỏ và các ngôi sao trở thành siêu tân tinh — nhưng ngôi sao này lại biến thành sao lùn trắng, điển hình hơn cho các ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn.
Điều đó không có nghĩa là cuối cùng nó sẽ không trở thành siêu tân tinh. Các vụ nổ siêu tân tinh loại Ia thúc đẩy sự hủy diệt của các ngôi sao lùn trắng đã tích tụ quá nhiều khối lượng. Giới hạn là 1,44 lần khối lượng mặt trời của chúng ta; sẽ không cần quá nhiều sự tích tụ để đẩy ngôi sao lùn trắng này qua bờ vực để nó tự xóa sổ trong một siêu tân tinh.
Cơ hội sống sót duy nhất của nó phụ thuộc vào việc người bạn đồng hành có khối lượng bằng 12 mặt trời của nó phát nổ trước. Bây giờ là cuộc chạy đua với thời gian để xem người bạn đồng hành nào sống sót lâu nhất.
Những phát hiện này đã được công bố vào ngày 18 tháng 2 trên The Astrophysical Journal Letters.
