Vụ nổ tia gamma, loại vụ nổ mạnh nhất được biết đến trong vũ trụ, có thể giúp cung cấp một mảnh ghép của câu đố khi nói đến một trong những vấn đề mở đầy thách thức nhất trong toàn bộ vật lý — cách các nguyên tố nặng nhất của vũ trụ được hình thành.
Những phát hiện của một nghiên cứu mới cho thấy rằng ánh sáng cực mạnh từ các vụ nổ tia gamma có thể giúp tạo ra các nguyên tố này từ lớp vỏ ngoài của các ngôi sao đang chết.
Trước đây, nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hình thành các nguyên tố nặng nhất, chẳng hạn như vàng, đòi hỏi một lượng lớn neutron mà hạt nhân nguyên tử có thể hấp thụ để trở nên ngày càng lớn hơn. Nhưng vì lý do này, "các nhà khoa học cho rằng các nguyên tố nặng chỉ được tạo ra ở những nơi mà nơtron đã tồn tại với số lượng lớn", tác giả chính của nghiên cứu Matthew Mumpower, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico, nói với Space.com.
Thông thường, nơtron bị liên kết trong hạt nhân nguyên tử hoặc trong vật chất tạo nên các ngôi sao cực kỳ mạnh mẽ được gọi là sao nơtron. Các phản ứng hạt nhân như phân hạch hoặc hợp hạch có thể giải phóng nơtron khỏi sự liên kết của chúng để giúp tạo ra các nguyên tố nặng — tuy nhiên, "nơtron tự do thường phân rã trong vòng khoảng 15 phút", Mumpower cho biết. Điều này giới hạn số lượng các tình huống tiềm ẩn mà nơtron tự do có sẵn với số lượng lớn cần thiết để tạo thành các nguyên tố nặng chỉ trong một vài trường hợp hiếm hoi. Một trong những kịch bản đó là sự hợp nhất thảm khốc của hai ngôi sao neutron.
"Tôi đã nghiên cứu nguồn gốc của các nguyên tố nặng trong 20 năm", Mumpower cho biết. "Nó khiến tôi bị cuốn hút vì có quá nhiều điều chưa biết, khiến nó trở thành một trong những vấn đề khó giải quyết nhất trong toàn bộ vật lý".
Giờ đây, Mumpower và các đồng nghiệp của ông đề xuất một cách mới để tạo ra các nguyên tố nặng. Họ cho biết các photon mạnh, hay các hạt ánh sáng, từ các vụ nổ tia gamma có thể giúp tạo ra neutron.
"Nếu bạn có các photon năng lượng cao, bạn sẽ tạo ra neutron, và nếu bạn có neutron, bạn có thể tạo ra các nguyên tố nặng", Mumpower cho biết.
Kịch bản mới này hình dung một ngôi sao khổng lồ sẽ chết khi nhiên liệu của nó cạn kiệt. Nếu không có năng lượng cần thiết để chống lại lực đẩy của lực hấp dẫn khổng lồ của chính nó, lõi của ngôi sao sẽ sụp đổ để hình thành một lỗ đen. Cái chết thảm khốc này có thể phóng ra những xung bức xạ cực mạnh — các vụ nổ tia gamma.
Các ngôi sao quay, bao gồm cả mặt trời của chúng ta, và nếu một lỗ đen được tạo ra từ một ngôi sao đang chết quay đủ nhanh, nó có thể phóng ra một luồng tia mạnh và tạo ra các photon năng lượng cao sâu bên trong luồng tia. Luồng tia này đập vào lớp vỏ ngoài của ngôi sao đang chết, tạo ra một lớp kén vật chất nóng. Tại lớp kén nóng này, các nhà nghiên cứu cho rằng các photon năng lượng cao của luồng tia có thể tương tác với các hạt nhân nguyên tử, biến đổi proton thành neutron cực kỳ nhanh — theo thứ tự của một nano giây. Nhóm nghiên cứu cho biết các photon năng lượng cao cũng có thể phá vỡ các hạt nhân nguyên tử, tạo ra các neutron tự do. Tất cả các neutron này có thể giúp tạo ra các nguyên tố nặng.
"Cảm hứng cho nghiên cứu cụ thể này đến từ những cuộc trò chuyện với các con tôi", Mumpower cho biết. "Họ thích xem các video chuyển động chậm trên YouTube, và một buổi tối trong thời gian đại dịch, chúng tôi đã xem một đoạn clip đáng kinh ngạc về một đoàn tàu chở hàng đang cày qua một đống tuyết khổng lồ. Tuyết không chỉ biến mất mà còn bị thổi sang một bên và bao trùm lấy đoàn tàu."
"Sẽ thế nào nếu đoàn tàu này tượng trưng cho một luồng phản lực thiên văn chứa đầy các photon năng lượng cao, và tuyết tượng trưng cho một ngôi sao bị thổi bay, tạo ra một lớp kén vật chất nóng có khả năng tạo ra neutron?" Mumpower nhớ lại suy nghĩ của mình. "Phép loại suy đó đã trở thành khoảnh khắc 'aha' của tôi, khởi đầu cho nghiên cứu này."
Cơ chế mới được tìm thấy này có thể giúp giải thích những phát hiện kỳ lạ trước đây, chẳng hạn như một số vật liệu phóng xạ như sắt-60 và plutonium-244 xuất hiện cùng nhau trong các trầm tích dưới biển sâu của Trái Đất. Các công trình trước đây cho rằng các chất này có nguồn gốc ngoài Trái Đất, nhưng sự hợp nhất của các sao neutron, một trong những cơ chế hàng đầu được biết đến để hình thành các nguyên tố nặng, không dễ dàng lý giải được các vật liệu này.
— Vụ nổ tia gamma sáng nhất từng thấy, sự kiện xảy ra 1 lần trong 10.000 năm, "hoàn toàn khủng khiếp", các nhà khoa học cho biết
— Nguồn gốc khó nắm bắt của các vụ nổ tia gamma dài cuối cùng cũng có thể được tiết lộ
— Vụ nổ tia gamma 'BOAT' phá kỷ lục đã làm nhiễu loạn bầu khí quyển của Trái Đất
Những phát hiện này cũng có thể giúp giải thích khám phá gần đây về một kilonova — một luồng sáng của ánh sáng khả kiến và hồng ngoại — liên quan đến các vụ nổ tia gamma kéo dài. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu liên kết kilonova với sự va chạm của hai sao neutron hoặc sự hợp nhất của một sao neutron và một lỗ đen, chứ không phải các ngôi sao đang sụp đổ.
Mumpower hy vọng các quan sát trong tương lai sẽ cung cấp bằng chứng rõ ràng hỗ trợ cho những phát hiện mới của nhóm. Ví dụ, một loạt các kính viễn vọng có thể phát hiện ánh sáng, neutrino và sóng hấp dẫn có thể theo dõi cách mà một ngôi sao đang sụp đổ có thể tạo ra vụ nổ tia gamma và kilonova. "Thông tin này sẽ cung cấp cho chúng ta bằng chứng rõ ràng về cơ chế vật lý được đề xuất", ông nói.
Các nhà khoa học đã trình bày chi tiết những phát hiện của họ trực tuyến vào ngày 20 tháng 3 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
Những phát hiện của một nghiên cứu mới cho thấy rằng ánh sáng cực mạnh từ các vụ nổ tia gamma có thể giúp tạo ra các nguyên tố này từ lớp vỏ ngoài của các ngôi sao đang chết.
Trước đây, nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hình thành các nguyên tố nặng nhất, chẳng hạn như vàng, đòi hỏi một lượng lớn neutron mà hạt nhân nguyên tử có thể hấp thụ để trở nên ngày càng lớn hơn. Nhưng vì lý do này, "các nhà khoa học cho rằng các nguyên tố nặng chỉ được tạo ra ở những nơi mà nơtron đã tồn tại với số lượng lớn", tác giả chính của nghiên cứu Matthew Mumpower, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico, nói với Space.com.
Thông thường, nơtron bị liên kết trong hạt nhân nguyên tử hoặc trong vật chất tạo nên các ngôi sao cực kỳ mạnh mẽ được gọi là sao nơtron. Các phản ứng hạt nhân như phân hạch hoặc hợp hạch có thể giải phóng nơtron khỏi sự liên kết của chúng để giúp tạo ra các nguyên tố nặng — tuy nhiên, "nơtron tự do thường phân rã trong vòng khoảng 15 phút", Mumpower cho biết. Điều này giới hạn số lượng các tình huống tiềm ẩn mà nơtron tự do có sẵn với số lượng lớn cần thiết để tạo thành các nguyên tố nặng chỉ trong một vài trường hợp hiếm hoi. Một trong những kịch bản đó là sự hợp nhất thảm khốc của hai ngôi sao neutron.
"Tôi đã nghiên cứu nguồn gốc của các nguyên tố nặng trong 20 năm", Mumpower cho biết. "Nó khiến tôi bị cuốn hút vì có quá nhiều điều chưa biết, khiến nó trở thành một trong những vấn đề khó giải quyết nhất trong toàn bộ vật lý".
Giờ đây, Mumpower và các đồng nghiệp của ông đề xuất một cách mới để tạo ra các nguyên tố nặng. Họ cho biết các photon mạnh, hay các hạt ánh sáng, từ các vụ nổ tia gamma có thể giúp tạo ra neutron.
"Nếu bạn có các photon năng lượng cao, bạn sẽ tạo ra neutron, và nếu bạn có neutron, bạn có thể tạo ra các nguyên tố nặng", Mumpower cho biết.
Kịch bản mới này hình dung một ngôi sao khổng lồ sẽ chết khi nhiên liệu của nó cạn kiệt. Nếu không có năng lượng cần thiết để chống lại lực đẩy của lực hấp dẫn khổng lồ của chính nó, lõi của ngôi sao sẽ sụp đổ để hình thành một lỗ đen. Cái chết thảm khốc này có thể phóng ra những xung bức xạ cực mạnh — các vụ nổ tia gamma.
Các ngôi sao quay, bao gồm cả mặt trời của chúng ta, và nếu một lỗ đen được tạo ra từ một ngôi sao đang chết quay đủ nhanh, nó có thể phóng ra một luồng tia mạnh và tạo ra các photon năng lượng cao sâu bên trong luồng tia. Luồng tia này đập vào lớp vỏ ngoài của ngôi sao đang chết, tạo ra một lớp kén vật chất nóng. Tại lớp kén nóng này, các nhà nghiên cứu cho rằng các photon năng lượng cao của luồng tia có thể tương tác với các hạt nhân nguyên tử, biến đổi proton thành neutron cực kỳ nhanh — theo thứ tự của một nano giây. Nhóm nghiên cứu cho biết các photon năng lượng cao cũng có thể phá vỡ các hạt nhân nguyên tử, tạo ra các neutron tự do. Tất cả các neutron này có thể giúp tạo ra các nguyên tố nặng.
"Cảm hứng cho nghiên cứu cụ thể này đến từ những cuộc trò chuyện với các con tôi", Mumpower cho biết. "Họ thích xem các video chuyển động chậm trên YouTube, và một buổi tối trong thời gian đại dịch, chúng tôi đã xem một đoạn clip đáng kinh ngạc về một đoàn tàu chở hàng đang cày qua một đống tuyết khổng lồ. Tuyết không chỉ biến mất mà còn bị thổi sang một bên và bao trùm lấy đoàn tàu."
"Sẽ thế nào nếu đoàn tàu này tượng trưng cho một luồng phản lực thiên văn chứa đầy các photon năng lượng cao, và tuyết tượng trưng cho một ngôi sao bị thổi bay, tạo ra một lớp kén vật chất nóng có khả năng tạo ra neutron?" Mumpower nhớ lại suy nghĩ của mình. "Phép loại suy đó đã trở thành khoảnh khắc 'aha' của tôi, khởi đầu cho nghiên cứu này."
Cơ chế mới được tìm thấy này có thể giúp giải thích những phát hiện kỳ lạ trước đây, chẳng hạn như một số vật liệu phóng xạ như sắt-60 và plutonium-244 xuất hiện cùng nhau trong các trầm tích dưới biển sâu của Trái Đất. Các công trình trước đây cho rằng các chất này có nguồn gốc ngoài Trái Đất, nhưng sự hợp nhất của các sao neutron, một trong những cơ chế hàng đầu được biết đến để hình thành các nguyên tố nặng, không dễ dàng lý giải được các vật liệu này.
— Vụ nổ tia gamma sáng nhất từng thấy, sự kiện xảy ra 1 lần trong 10.000 năm, "hoàn toàn khủng khiếp", các nhà khoa học cho biết
— Nguồn gốc khó nắm bắt của các vụ nổ tia gamma dài cuối cùng cũng có thể được tiết lộ
— Vụ nổ tia gamma 'BOAT' phá kỷ lục đã làm nhiễu loạn bầu khí quyển của Trái Đất
Những phát hiện này cũng có thể giúp giải thích khám phá gần đây về một kilonova — một luồng sáng của ánh sáng khả kiến và hồng ngoại — liên quan đến các vụ nổ tia gamma kéo dài. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu liên kết kilonova với sự va chạm của hai sao neutron hoặc sự hợp nhất của một sao neutron và một lỗ đen, chứ không phải các ngôi sao đang sụp đổ.
Mumpower hy vọng các quan sát trong tương lai sẽ cung cấp bằng chứng rõ ràng hỗ trợ cho những phát hiện mới của nhóm. Ví dụ, một loạt các kính viễn vọng có thể phát hiện ánh sáng, neutrino và sóng hấp dẫn có thể theo dõi cách mà một ngôi sao đang sụp đổ có thể tạo ra vụ nổ tia gamma và kilonova. "Thông tin này sẽ cung cấp cho chúng ta bằng chứng rõ ràng về cơ chế vật lý được đề xuất", ông nói.
Các nhà khoa học đã trình bày chi tiết những phát hiện của họ trực tuyến vào ngày 20 tháng 3 trên Tạp chí Vật lý thiên văn.
