Bài viết này ban đầu được xuất bản tại The Conversation. Ấn phẩm này đã đóng góp bài viết cho Expert Voices: Op-Ed & Insights của Space.com.
Daniel Reardon là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Công nghệ Swinburne, chuyên nghiên cứu về sao xung và sóng hấp dẫn.
Với kính viễn vọng vô tuyến mạnh nhất ở bán cầu nam, chúng tôi đã quan sát một ngôi sao lấp lánh và phát hiện ra vô số cấu trúc plasma bí ẩn trong vùng lân cận vũ trụ của chúng ta.
Các cấu trúc plasma mà chúng ta nhìn thấy là những biến thể về mật độ hoặc độ nhiễu loạn, tương tự như các cơn lốc xoáy giữa các vì sao bị khuấy động bởi các sự kiện năng lượng trong thiên hà. Nghiên cứu, được xuất bản trên tạp chí Nature Astronomy, cũng mô tả các phép đo đầu tiên về các lớp plasma bên trong sóng xung kích giữa các vì sao bao quanh một sao xung.
Bây giờ chúng ta nhận ra môi trường giữa các vì sao cục bộ của chúng ta chứa đầy những cấu trúc này và những phát hiện của chúng tôi cũng bao gồm một hiện tượng hiếm gặp sẽ thách thức các lý thuyết về sóng xung kích của sao xung.
Sao xung và gió của nó di chuyển với tốc độ siêu thanh qua môi trường giữa các vì sao – vật chất (khí, bụi và plasma) giữa các vì sao. Điều này tạo ra một cú sốc cung: một sóng xung kích của khí nóng phát sáng màu đỏ.
Plasma giữa các vì sao là hỗn loạn và phân tán sóng vô tuyến sao xung hơi lệch khỏi đường thẳng trực tiếp. Các sóng phân tán tạo ra một mô hình các mảng sáng và mờ trôi qua kính viễn vọng vô tuyến của chúng ta khi Trái Đất, sao xung và plasma đều di chuyển trong không gian.
Theo quan điểm của chúng ta, điều này khiến sao xung nhấp nháy hoặc "lấp lánh". Hiệu ứng này tương tự như cách nhiễu loạn trong khí quyển Trái Đất khiến các ngôi sao lấp lánh trên bầu trời đêm.
Sự nhấp nháy của sao xung cung cấp cho chúng ta thông tin độc đáo về các cấu trúc plasma quá nhỏ và mờ nhạt để có thể phát hiện theo bất kỳ cách nào khác.
Với các kỹ thuật phù hợp, chúng ta có thể khám phá ra các hình dạng có trật tự từ mô hình giao thoa, được gọi là cung nhấp nháy. Chúng mô tả chi tiết vị trí và vận tốc của các cấu trúc nhỏ gọn trong plasma giữa các vì sao. Nghiên cứu các cung nhấp nháy giống như thực hiện chụp CT môi trường giữa các vì sao – mỗi cung sẽ tiết lộ một lớp plasma mỏng.
Thông thường, các nghiên cứu cung nhấp nháy chỉ phát hiện ra một hoặc nhiều nhất là một số ít các cung này, chỉ cung cấp góc nhìn về các cấu trúc plasma cực đoan nhất (đặc nhất hoặc hỗn loạn nhất) trong thiên hà của chúng ta.
Nghiên cứu cung nhấp nháy của chúng tôi đã tạo ra bước đột phá mới bằng cách phát hiện ra 25 cung nhấp nháy chưa từng có, là nhiều cấu trúc plasma nhất được quan sát thấy đối với bất kỳ sao xung nào cho đến nay.
Độ nhạy của nghiên cứu của chúng tôi chỉ có thể thực hiện được vì sao xung nằm rất gần (đó là sao xung gần nhất tính bằng mili giây) và diện tích thu thập lớn của kính thiên văn vô tuyến MeerKAT ở Nam Phi.
Về 14 triệu năm trước, phần này của thiên hà của chúng ta đã được thắp sáng bởi các vụ nổ sao đã cuốn trôi vật chất trong môi trường giữa các vì sao và thổi phồng một khoảng không nóng. Ngày nay, bong bóng này vẫn đang mở rộng và hiện kéo dài tới 1.000 năm ánh sáng từ chúng ta.
Những khám phá mới về vòng cung lấp lánh của chúng tôi cho thấy Bong bóng cục bộ không hề trống rỗng như trước đây chúng ta từng nghĩ. Nó chứa đầy các cấu trúc plasma nhỏ gọn chỉ có thể duy trì được nếu bong bóng nguội đi, ít nhất là ở một số khu vực, từ hàng triệu độ xuống mức nhẹ là 18.000 độ Fahrenheit (10.000 độ C).
Sóng xung kích từ cung tàu làm tán xạ chùm tia vô tuyến của sao xung | hoạt hình - YouTube
Xem trên Trong khi hầu hết các sao xung được cho là tạo ra sóng xung kích, chỉ có một số ít từng được quan sát thấy vì chúng là những vật thể mờ. Cho đến nay, chưa có vật thể nào được nghiên cứu bằng cách sử dụng tia nhấp nháy.
Chúng tôi đã lần theo bốn cung nhấp nháy còn lại đến các cấu trúc plasma bên trong cú sốc cung sao xung, đánh dấu lần đầu tiên các nhà thiên văn học nhìn vào bên trong một trong những sóng xung này.
Điều này cung cấp cho chúng tôi chế độ xem giống như CT của các lớp plasma khác nhau. Sử dụng các cung này cùng với hình ảnh quang học, chúng tôi đã xây dựng một mô hình ba chiều mới của cú sốc, có vẻ như hơi nghiêng ra xa chúng ta do chuyển động của sao xung trong không gian.
Các cung nhấp nháy cũng cung cấp cho chúng tôi vận tốc của các lớp plasma. Khác xa với mong đợi, chúng tôi phát hiện ra rằng một cấu trúc plasma bên trong đang di chuyển về phía mặt trận sốc ngược với dòng vật liệu bị sốc theo hướng ngược lại.
Mặc dù các dòng chảy ngược như vậy có thể xuất hiện trong mô phỏng, nhưng chúng rất hiếm. Phát hiện này sẽ thúc đẩy các mô hình mới cho cú sốc cung này.
Điều này sẽ khám phá thêm về các quá trình năng lượng trong thiên hà của chúng ta tạo ra những cấu trúc plasma vô hình này.
Sự lấp lánh của người hàng xóm pulsar này đã tiết lộ các cấu trúc plasma bất ngờ bên trong Bong bóng cục bộ của chúng ta và cho phép chúng ta lập bản đồ và đo tốc độ của plasma bên trong cú sốc cung. Thật đáng kinh ngạc những gì một ngôi sao nhỏ lấp lánh có thể làm được.
Daniel Reardon là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Công nghệ Swinburne, chuyên nghiên cứu về sao xung và sóng hấp dẫn.
Với kính viễn vọng vô tuyến mạnh nhất ở bán cầu nam, chúng tôi đã quan sát một ngôi sao lấp lánh và phát hiện ra vô số cấu trúc plasma bí ẩn trong vùng lân cận vũ trụ của chúng ta.
Các cấu trúc plasma mà chúng ta nhìn thấy là những biến thể về mật độ hoặc độ nhiễu loạn, tương tự như các cơn lốc xoáy giữa các vì sao bị khuấy động bởi các sự kiện năng lượng trong thiên hà. Nghiên cứu, được xuất bản trên tạp chí Nature Astronomy, cũng mô tả các phép đo đầu tiên về các lớp plasma bên trong sóng xung kích giữa các vì sao bao quanh một sao xung.
Bây giờ chúng ta nhận ra môi trường giữa các vì sao cục bộ của chúng ta chứa đầy những cấu trúc này và những phát hiện của chúng tôi cũng bao gồm một hiện tượng hiếm gặp sẽ thách thức các lý thuyết về sóng xung kích của sao xung.
Sao xung là gì và tại sao nó có sóng xung kích?
Những quan sát của chúng tôi tập trung vào sao xung quay nhanh gần đó, J0437-4715, cách Trái Đất 512 năm ánh sáng. Sao xung là một sao neutron, một tàn dư sao siêu đặc tạo ra các chùm sóng vô tuyến và một "gió" hạt năng lượng.Sao xung và gió của nó di chuyển với tốc độ siêu thanh qua môi trường giữa các vì sao – vật chất (khí, bụi và plasma) giữa các vì sao. Điều này tạo ra một cú sốc cung: một sóng xung kích của khí nóng phát sáng màu đỏ.
Plasma giữa các vì sao là hỗn loạn và phân tán sóng vô tuyến sao xung hơi lệch khỏi đường thẳng trực tiếp. Các sóng phân tán tạo ra một mô hình các mảng sáng và mờ trôi qua kính viễn vọng vô tuyến của chúng ta khi Trái Đất, sao xung và plasma đều di chuyển trong không gian.
Theo quan điểm của chúng ta, điều này khiến sao xung nhấp nháy hoặc "lấp lánh". Hiệu ứng này tương tự như cách nhiễu loạn trong khí quyển Trái Đất khiến các ngôi sao lấp lánh trên bầu trời đêm.
Sự nhấp nháy của sao xung cung cấp cho chúng ta thông tin độc đáo về các cấu trúc plasma quá nhỏ và mờ nhạt để có thể phát hiện theo bất kỳ cách nào khác.
Ngôi sao vô tuyến nhỏ lấp lánh
Với mắt thường, sự nhấp nháy của một ngôi sao có vẻ ngẫu nhiên. Nhưng ít nhất đối với sao xung, có những mô hình ẩn.Với các kỹ thuật phù hợp, chúng ta có thể khám phá ra các hình dạng có trật tự từ mô hình giao thoa, được gọi là cung nhấp nháy. Chúng mô tả chi tiết vị trí và vận tốc của các cấu trúc nhỏ gọn trong plasma giữa các vì sao. Nghiên cứu các cung nhấp nháy giống như thực hiện chụp CT môi trường giữa các vì sao – mỗi cung sẽ tiết lộ một lớp plasma mỏng.
Thông thường, các nghiên cứu cung nhấp nháy chỉ phát hiện ra một hoặc nhiều nhất là một số ít các cung này, chỉ cung cấp góc nhìn về các cấu trúc plasma cực đoan nhất (đặc nhất hoặc hỗn loạn nhất) trong thiên hà của chúng ta.
Nghiên cứu cung nhấp nháy của chúng tôi đã tạo ra bước đột phá mới bằng cách phát hiện ra 25 cung nhấp nháy chưa từng có, là nhiều cấu trúc plasma nhất được quan sát thấy đối với bất kỳ sao xung nào cho đến nay.
Độ nhạy của nghiên cứu của chúng tôi chỉ có thể thực hiện được vì sao xung nằm rất gần (đó là sao xung gần nhất tính bằng mili giây) và diện tích thu thập lớn của kính thiên văn vô tuyến MeerKAT ở Nam Phi.
Một bất ngờ về bong bóng cục bộ
Trong số 25 cung lấp lánh mà chúng tôi tìm thấy, 21 cung đã tiết lộ các cấu trúc trong môi trường giữa các vì sao. Điều này thật đáng ngạc nhiên vì sao xung – giống như hệ mặt trời của chúng ta – nằm trong một vùng tương đối yên tĩnh của thiên hà của chúng ta được gọi là Bong bóng cục bộ.Về 14 triệu năm trước, phần này của thiên hà của chúng ta đã được thắp sáng bởi các vụ nổ sao đã cuốn trôi vật chất trong môi trường giữa các vì sao và thổi phồng một khoảng không nóng. Ngày nay, bong bóng này vẫn đang mở rộng và hiện kéo dài tới 1.000 năm ánh sáng từ chúng ta.
Những khám phá mới về vòng cung lấp lánh của chúng tôi cho thấy Bong bóng cục bộ không hề trống rỗng như trước đây chúng ta từng nghĩ. Nó chứa đầy các cấu trúc plasma nhỏ gọn chỉ có thể duy trì được nếu bong bóng nguội đi, ít nhất là ở một số khu vực, từ hàng triệu độ xuống mức nhẹ là 18.000 độ Fahrenheit (10.000 độ C).
Khám phá về chấn động
Như hình ảnh động bên dưới cho thấy, sao xung được bao quanh bởi chấn động cung của nó, phát sáng màu đỏ với ánh sáng từ các nguyên tử hydro được cung cấp năng lượng.Sóng xung kích từ cung tàu làm tán xạ chùm tia vô tuyến của sao xung | hoạt hình - YouTube
Xem trên Trong khi hầu hết các sao xung được cho là tạo ra sóng xung kích, chỉ có một số ít từng được quan sát thấy vì chúng là những vật thể mờ. Cho đến nay, chưa có vật thể nào được nghiên cứu bằng cách sử dụng tia nhấp nháy.
Chúng tôi đã lần theo bốn cung nhấp nháy còn lại đến các cấu trúc plasma bên trong cú sốc cung sao xung, đánh dấu lần đầu tiên các nhà thiên văn học nhìn vào bên trong một trong những sóng xung này.
Điều này cung cấp cho chúng tôi chế độ xem giống như CT của các lớp plasma khác nhau. Sử dụng các cung này cùng với hình ảnh quang học, chúng tôi đã xây dựng một mô hình ba chiều mới của cú sốc, có vẻ như hơi nghiêng ra xa chúng ta do chuyển động của sao xung trong không gian.
Các cung nhấp nháy cũng cung cấp cho chúng tôi vận tốc của các lớp plasma. Khác xa với mong đợi, chúng tôi phát hiện ra rằng một cấu trúc plasma bên trong đang di chuyển về phía mặt trận sốc ngược với dòng vật liệu bị sốc theo hướng ngược lại.
Mặc dù các dòng chảy ngược như vậy có thể xuất hiện trong mô phỏng, nhưng chúng rất hiếm. Phát hiện này sẽ thúc đẩy các mô hình mới cho cú sốc cung này.
Khoa học lấp lánh
Với các kính viễn vọng vô tuyến mới và nhạy hơn đang được xây dựng trên khắp thế giới, chúng ta có thể mong đợi thấy sự lấp lánh từ nhiều cú sốc cung pulsar và các sự kiện khác trong môi trường giữa các vì sao.Điều này sẽ khám phá thêm về các quá trình năng lượng trong thiên hà của chúng ta tạo ra những cấu trúc plasma vô hình này.
Sự lấp lánh của người hàng xóm pulsar này đã tiết lộ các cấu trúc plasma bất ngờ bên trong Bong bóng cục bộ của chúng ta và cho phép chúng ta lập bản đồ và đo tốc độ của plasma bên trong cú sốc cung. Thật đáng kinh ngạc những gì một ngôi sao nhỏ lấp lánh có thể làm được.
