Trong nghiên cứu cận hồng ngoại đầu tiên về một sao mới tái phát ngoài Ngân Hà, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra nhiệt độ cao bất thường và các dấu hiệu hóa học bất ngờ, chỉ ra một vụ nổ đặc biệt dữ dội.
Vụ nổ sao mới xảy ra trong các hệ sao đôi bán tách biệt chứa một ngôi sao loại muộn lạnh và một sao lùn trắng.
"Một ngôi sao lùn trắng nóng, có kích thước bằng Trái Đất nhưng có khối lượng tương đương với Mặt Trời, sẽ hút vật chất từ ngôi sao đồng hành lạnh của nó", Nye Evans thuộc Đại học Keele giải thích với Space.com. "Vật liệu từ ngôi sao lạnh tích tụ trên bề mặt của sao lùn trắng và cuối cùng phát nổ trong một vụ nổ nhiệt hạch. Đây là một vụ nổ sao mới."
Hầu hết các sao mới đều được nhìn thấy phun trào một lần, nhưng một số ít hiếm hoi được quan sát thấy phát nổ nhiều lần. Những vụ nổ này được gọi là sao mới tái diễn, với khoảng thời gian giữa các lần phun trào chỉ từ một năm đến vài thập kỷ.
"Khi vụ nổ lắng xuống, quá trình hút lại bắt đầu diễn ra, và theo thời gian, một vụ nổ nhiệt hạch khác lại xảy ra, cứ thế tiếp diễn", Evans giải thích.
Ít hơn một chục siêu tân tinh tái diễn đã được xác định trong thiên hà của chúng ta — nhiều siêu tân tinh khác được biết đến ngoài Ngân Hà, hầu hết trong số chúng nằm ở Thiên hà Andromeda (M31), với bốn siêu tân tinh nằm ở Đám mây Magellan Lớn (LMC).
"Trong các hệ thống như LMC68, khối lượng bị đẩy ra trong vụ nổ sao mới ít hơn khối lượng thu được từ ngôi sao lạnh", Evans cho biết. "Điều này có nghĩa là khối lượng của sao lùn trắng đang tăng đều đặn. Theo thời gian, nó sẽ tiếp cận một giá trị tới hạn ... mà trên đó sao lùn trắng không thể chịu được trọng lượng của chính nó và nó sẽ nổ tung, một trong những kết quả của nó là một vụ nổ siêu tân tinh."
Sau vụ phun trào năm 2020, Đài quan sát Neil Gehrels Swift của NASA đã theo dõi chặt chẽ LMC68 trong nhiều tháng, dự đoán vụ phun trào tiếp theo của nó, xảy ra vào tháng 8 2024.
"LMCN 1968-12a xa hơn khoảng 50 lần so với các vụ nổ sao mới trong thiên hà Milky Way của chúng ta, và do đó mờ hơn khoảng 2.500 lần", Evans cho biết. "Bạn phải sử dụng những kính thiên văn lớn nhất hiện có [để nhìn thấy nó, và] bạn cần phải tiếp cận chúng ngay khi chúng phát nổ; do đó, bạn sẽ làm gián đoạn các chương trình quan sát khác.
"Có rất nhiều thiện chí liên quan vì không có nhiều kính thiên văn hồng ngoại lớn."
Nova LMCN 1968-12A (LMC68), nằm trong LMC, được quan sát lần đầu tiên vào năm 1968. Năm 1990, nó lại được quan sát thấy trong quá trình phun trào, khiến nó trở thành nova tái phát ngoài thiên hà đầu tiên từng được quan sát.
Họ đã thực hiện điều này bằng cách sử dụng quang phổ, một kỹ thuật phân tích các bước sóng ánh sáng khác nhau được hấp thụ và phát ra trong quá trình phun trào.
Điều này cho phép họ xác định các nguyên tố hóa học hiện diện và hiểu cách chúng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao của nova, thường "ion hóa" hoặc kích thích các nguyên tử, khiến các electron của chúng nhảy lên các mức năng lượng cao hơn trước khi trở về trạng thái ban đầu.
"Các vạch phát xạ được hình thành khi một nguyên tử hoặc ion thư giãn từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn", Evans giải thích. "Sự khác biệt về năng lượng được phát ra dưới dạng một photon ánh sáng hồng ngoại, là dấu hiệu đặc trưng riêng của nguyên tử hoặc ion. Đây là cách chúng ta biết các ngôi sao được tạo thành từ gì."
"Trong khi các nghiên cứu cận hồng ngoại khác về các sao mới tương tự trong Ngân Hà thường tiết lộ các dấu hiệu từ nhiều nguyên tố khác nhau được gọi là "kim loại" (đối với các nhà thiên văn học, đó là bất kỳ nguyên tố nào khác ngoài hydro hoặc heli, mặc dù một nhà hóa học có thể có điều gì đó để nói về điều đó), nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng quang phổ của LMC68 chứa một tín hiệu cực kỳ sáng từ các nguyên tử silicon đã bị ion hóa chín lần —một quá trình đòi hỏi một lượng năng lượng cực lớn.
"Silic ion hóa tỏa sáng sáng hơn mặt trời gần 100 lần là điều chưa từng có", Tom Geballe, nhà thiên văn học danh dự của NOIRLab và là đồng tác giả của bài báo, cho biết trong tuyên bố. "Và trong khi tín hiệu này gây sốc, thì nó cũng gây sốc cho những gì không có ở đó.
"Chúng tôi mong đợi cũng sẽ thấy các dấu hiệu của lưu huỳnh, phốt pho, canxi và nhôm có năng lượng cao."
Nhóm nghiên cứu cho rằng có thể có một nồng độ electron ở vùng ngoài của sao mới có thể khiến các nguyên tử bị kích thích mất năng lượng qua va chạm thay vì phát ra ánh sáng. Nhưng mặc dù đây là một khả năng, nhưng nó không giải thích được tại sao các vạch quang phổ thông thường thường thấy trong ánh sáng của sao mới tái diễn lại hoàn toàn không có trong trường hợp này.
Điều này cho thấy có điều gì đó bất thường đang xảy ra với LMC68, khác với các sao mới tái diễn thông thường.
LMC68 khác với các sao mới tái diễn thiên hà vì ngôi sao đồng hành của nó có thể có độ kim loại thấp hơn, nghĩa là có lượng nguyên tố nặng hơn ít hơn, đây là đặc điểm điển hình của LMC. Các ngôi sao có hàm lượng kim loại thấp có thể dẫn đến các vụ nổ tân tinh mạnh hơn, vì cần nhiều vật liệu hơn để kích hoạt vụ phun trào.
Mặc dù sự thiếu hụt kim loại của ngôi sao thứ cấp có thể ảnh hưởng đến thành phần của tân tinh, nhưng điều đó không giải thích đầy đủ lý do tại sao không có các vạch kim loại trong vùng hồng ngoại gần. Vụ nổ vẫn xử lý vật chất thông qua quá trình nhiệt hạch thông thường, nhưng các dấu hiệu kim loại dự kiến đã bị mất.
Nhiệt độ vành nhật hoa cao hơn là 5,4 triệu độ Fahrenheit (3 triệu độ Celsius) trong LMC68 có thể cung cấp một manh mối. Nhiệt độ cao của khí vành nhật hoa có thể dẫn đến một quá trình gọi là ion hóa va chạm, trong đó các nguyên tử trong khí trở nên ion hóa nhiều hơn bình thường, nghĩa là chúng mất nhiều electron hơn và đạt đến trạng thái năng lượng cao hơn.
"Để tước đi nhiều electron như vậy khỏi nguyên tử hoặc ion, cần phải có năng lượng đầu vào", Evans cho biết. "Trong quá trình ion hóa va chạm, năng lượng được cung cấp bởi các electron nhanh va chạm với nguyên tử/ion, truyền năng lượng của chúng cho nguyên tử/ion đó".
Điều này có nghĩa là các ion thường thấy trong pha vành nhật hoa của các sao mới khác ít phong phú hơn ở dạng "bình thường" của chúng vì chúng đã bị đẩy vào các trạng thái cao hơn này.
Thực tế là khí xung quanh LMC68 thiếu kim loại cũng có nghĩa là nó chứa ít nguyên tố như magiê và canxi hơn so với các ngôi sao thông thường. Khi khí này trải qua quá trình chạy trốn nhiệt hạch (vụ nổ trong sao mới), sự thiếu hụt các nguyên tố này được khuếch đại, dẫn đến sự phong phú thấp hơn trong tàn dư của vụ nổ.
Sự kết hợp này — giữa nhiệt độ cao và sự thiếu hụt kim loại — có thể giải thích tại sao các vạch kim loại không có trong các quan sát hiện tại.
Các câu chuyện liên quan:
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
— Cách thức mà người kế nhiệm của Máy gia tốc Hadron Lớn sẽ săn lùng vũ trụ tối
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác sao
"Với chỉ một số ít sao mới tái diễn được phát hiện trong thiên hà của chúng ta, sự hiểu biết về các vật thể này đã tiến triển theo từng giai đoạn", Martin Still cho biết, Giám đốc chương trình NSF của Đài quan sát Gemini quốc tế. "Bằng cách mở rộng phạm vi của chúng tôi đến các thiên hà khác bằng cách sử dụng các kính thiên văn lớn nhất hiện có, như Gemini South, các nhà thiên văn học sẽ tăng tốc độ tiến triển và đo lường một cách nghiêm ngặt hành vi của các vật thể này trong các môi trường hóa học khác nhau."
Mặc dù là một lý thuyết hấp dẫn, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh nhu cầu nghiên cứu mô hình để đo chính xác hơn các sản phẩm của những phản ứng này và nhiều quan sát hơn bằng cách sử dụng bước sóng ánh sáng dài hơn để xác nhận giả thuyết.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Monthly Notices của Hội Thiên văn học Hoàng gia.
Vụ nổ sao mới xảy ra trong các hệ sao đôi bán tách biệt chứa một ngôi sao loại muộn lạnh và một sao lùn trắng.
"Một ngôi sao lùn trắng nóng, có kích thước bằng Trái Đất nhưng có khối lượng tương đương với Mặt Trời, sẽ hút vật chất từ ngôi sao đồng hành lạnh của nó", Nye Evans thuộc Đại học Keele giải thích với Space.com. "Vật liệu từ ngôi sao lạnh tích tụ trên bề mặt của sao lùn trắng và cuối cùng phát nổ trong một vụ nổ nhiệt hạch. Đây là một vụ nổ sao mới."
Hầu hết các sao mới đều được nhìn thấy phun trào một lần, nhưng một số ít hiếm hoi được quan sát thấy phát nổ nhiều lần. Những vụ nổ này được gọi là sao mới tái diễn, với khoảng thời gian giữa các lần phun trào chỉ từ một năm đến vài thập kỷ.
"Khi vụ nổ lắng xuống, quá trình hút lại bắt đầu diễn ra, và theo thời gian, một vụ nổ nhiệt hạch khác lại xảy ra, cứ thế tiếp diễn", Evans giải thích.
Ít hơn một chục siêu tân tinh tái diễn đã được xác định trong thiên hà của chúng ta — nhiều siêu tân tinh khác được biết đến ngoài Ngân Hà, hầu hết trong số chúng nằm ở Thiên hà Andromeda (M31), với bốn siêu tân tinh nằm ở Đám mây Magellan Lớn (LMC).
Gặp gỡ một ngôi sao mới phi thường
Sao mới LMCN 1968-12A (LMC68), nằm trong LMC, được quan sát lần đầu tiên vào năm 1968. Năm 1990, người ta lại quan sát thấy nó trong một vụ phun trào, khiến nó trở thành sao mới tái phát ngoài thiên hà đầu tiên từng được quan sát, với các vụ phun trào xảy ra đều đặn cứ bốn năm một lần."Trong các hệ thống như LMC68, khối lượng bị đẩy ra trong vụ nổ sao mới ít hơn khối lượng thu được từ ngôi sao lạnh", Evans cho biết. "Điều này có nghĩa là khối lượng của sao lùn trắng đang tăng đều đặn. Theo thời gian, nó sẽ tiếp cận một giá trị tới hạn ... mà trên đó sao lùn trắng không thể chịu được trọng lượng của chính nó và nó sẽ nổ tung, một trong những kết quả của nó là một vụ nổ siêu tân tinh."
Sau vụ phun trào năm 2020, Đài quan sát Neil Gehrels Swift của NASA đã theo dõi chặt chẽ LMC68 trong nhiều tháng, dự đoán vụ phun trào tiếp theo của nó, xảy ra vào tháng 8 2024.
"LMCN 1968-12a xa hơn khoảng 50 lần so với các vụ nổ sao mới trong thiên hà Milky Way của chúng ta, và do đó mờ hơn khoảng 2.500 lần", Evans cho biết. "Bạn phải sử dụng những kính thiên văn lớn nhất hiện có [để nhìn thấy nó, và] bạn cần phải tiếp cận chúng ngay khi chúng phát nổ; do đó, bạn sẽ làm gián đoạn các chương trình quan sát khác.
"Có rất nhiều thiện chí liên quan vì không có nhiều kính thiên văn hồng ngoại lớn."
Nova LMCN 1968-12A (LMC68), nằm trong LMC, được quan sát lần đầu tiên vào năm 1968. Năm 1990, nó lại được quan sát thấy trong quá trình phun trào, khiến nó trở thành nova tái phát ngoài thiên hà đầu tiên từng được quan sát.
Phân tích thành phần hóa học của một nova độc đáo
Bằng cách lần đầu tiên thu được ánh sáng cận hồng ngoại của LMC68, nhóm các nhà thiên văn học đã có thể nghiên cứu pha cực nóng của nó, khi nhiều nguyên tố trở nên có năng lượng cao. Điều này cung cấp những hiểu biết có giá trị về các lực cực đại thúc đẩy vụ phun trào của nova.Họ đã thực hiện điều này bằng cách sử dụng quang phổ, một kỹ thuật phân tích các bước sóng ánh sáng khác nhau được hấp thụ và phát ra trong quá trình phun trào.
Điều này cho phép họ xác định các nguyên tố hóa học hiện diện và hiểu cách chúng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao của nova, thường "ion hóa" hoặc kích thích các nguyên tử, khiến các electron của chúng nhảy lên các mức năng lượng cao hơn trước khi trở về trạng thái ban đầu.
"Các vạch phát xạ được hình thành khi một nguyên tử hoặc ion thư giãn từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp hơn", Evans giải thích. "Sự khác biệt về năng lượng được phát ra dưới dạng một photon ánh sáng hồng ngoại, là dấu hiệu đặc trưng riêng của nguyên tử hoặc ion. Đây là cách chúng ta biết các ngôi sao được tạo thành từ gì."
"Trong khi các nghiên cứu cận hồng ngoại khác về các sao mới tương tự trong Ngân Hà thường tiết lộ các dấu hiệu từ nhiều nguyên tố khác nhau được gọi là "kim loại" (đối với các nhà thiên văn học, đó là bất kỳ nguyên tố nào khác ngoài hydro hoặc heli, mặc dù một nhà hóa học có thể có điều gì đó để nói về điều đó), nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng quang phổ của LMC68 chứa một tín hiệu cực kỳ sáng từ các nguyên tử silicon đã bị ion hóa chín lần —một quá trình đòi hỏi một lượng năng lượng cực lớn.
"Silic ion hóa tỏa sáng sáng hơn mặt trời gần 100 lần là điều chưa từng có", Tom Geballe, nhà thiên văn học danh dự của NOIRLab và là đồng tác giả của bài báo, cho biết trong tuyên bố. "Và trong khi tín hiệu này gây sốc, thì nó cũng gây sốc cho những gì không có ở đó.
"Chúng tôi mong đợi cũng sẽ thấy các dấu hiệu của lưu huỳnh, phốt pho, canxi và nhôm có năng lượng cao."
Nhóm nghiên cứu cho rằng có thể có một nồng độ electron ở vùng ngoài của sao mới có thể khiến các nguyên tử bị kích thích mất năng lượng qua va chạm thay vì phát ra ánh sáng. Nhưng mặc dù đây là một khả năng, nhưng nó không giải thích được tại sao các vạch quang phổ thông thường thường thấy trong ánh sáng của sao mới tái diễn lại hoàn toàn không có trong trường hợp này.
Điều này cho thấy có điều gì đó bất thường đang xảy ra với LMC68, khác với các sao mới tái diễn thông thường.
LMC68 khác với các sao mới tái diễn thiên hà vì ngôi sao đồng hành của nó có thể có độ kim loại thấp hơn, nghĩa là có lượng nguyên tố nặng hơn ít hơn, đây là đặc điểm điển hình của LMC. Các ngôi sao có hàm lượng kim loại thấp có thể dẫn đến các vụ nổ tân tinh mạnh hơn, vì cần nhiều vật liệu hơn để kích hoạt vụ phun trào.
Mặc dù sự thiếu hụt kim loại của ngôi sao thứ cấp có thể ảnh hưởng đến thành phần của tân tinh, nhưng điều đó không giải thích đầy đủ lý do tại sao không có các vạch kim loại trong vùng hồng ngoại gần. Vụ nổ vẫn xử lý vật chất thông qua quá trình nhiệt hạch thông thường, nhưng các dấu hiệu kim loại dự kiến đã bị mất.
Nhiệt độ vành nhật hoa cao hơn là 5,4 triệu độ Fahrenheit (3 triệu độ Celsius) trong LMC68 có thể cung cấp một manh mối. Nhiệt độ cao của khí vành nhật hoa có thể dẫn đến một quá trình gọi là ion hóa va chạm, trong đó các nguyên tử trong khí trở nên ion hóa nhiều hơn bình thường, nghĩa là chúng mất nhiều electron hơn và đạt đến trạng thái năng lượng cao hơn.
"Để tước đi nhiều electron như vậy khỏi nguyên tử hoặc ion, cần phải có năng lượng đầu vào", Evans cho biết. "Trong quá trình ion hóa va chạm, năng lượng được cung cấp bởi các electron nhanh va chạm với nguyên tử/ion, truyền năng lượng của chúng cho nguyên tử/ion đó".
Điều này có nghĩa là các ion thường thấy trong pha vành nhật hoa của các sao mới khác ít phong phú hơn ở dạng "bình thường" của chúng vì chúng đã bị đẩy vào các trạng thái cao hơn này.
Thực tế là khí xung quanh LMC68 thiếu kim loại cũng có nghĩa là nó chứa ít nguyên tố như magiê và canxi hơn so với các ngôi sao thông thường. Khi khí này trải qua quá trình chạy trốn nhiệt hạch (vụ nổ trong sao mới), sự thiếu hụt các nguyên tố này được khuếch đại, dẫn đến sự phong phú thấp hơn trong tàn dư của vụ nổ.
Sự kết hợp này — giữa nhiệt độ cao và sự thiếu hụt kim loại — có thể giải thích tại sao các vạch kim loại không có trong các quan sát hiện tại.
Các câu chuyện liên quan:
— Có điều gì đó 'đáng ngờ' đang xảy ra với quầng vật chất tối của Ngân Hà
— Cách thức mà người kế nhiệm của Máy gia tốc Hadron Lớn sẽ săn lùng vũ trụ tối
— Vật chất tối có thể tồn tại trong một lớp sương mù dày đặc xung quanh các xác sao
"Với chỉ một số ít sao mới tái diễn được phát hiện trong thiên hà của chúng ta, sự hiểu biết về các vật thể này đã tiến triển theo từng giai đoạn", Martin Still cho biết, Giám đốc chương trình NSF của Đài quan sát Gemini quốc tế. "Bằng cách mở rộng phạm vi của chúng tôi đến các thiên hà khác bằng cách sử dụng các kính thiên văn lớn nhất hiện có, như Gemini South, các nhà thiên văn học sẽ tăng tốc độ tiến triển và đo lường một cách nghiêm ngặt hành vi của các vật thể này trong các môi trường hóa học khác nhau."
Mặc dù là một lý thuyết hấp dẫn, nhóm nghiên cứu nhấn mạnh nhu cầu nghiên cứu mô hình để đo chính xác hơn các sản phẩm của những phản ứng này và nhiều quan sát hơn bằng cách sử dụng bước sóng ánh sáng dài hơn để xác nhận giả thuyết.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Monthly Notices của Hội Thiên văn học Hoàng gia.
