Các nhà thiên văn học đã buộc phải đánh giá lại nguồn gốc của các vụ nổ sóng vô tuyến nhanh, bí ẩn được gọi là "chớp sóng vô tuyến nhanh" (FRB).
Sự suy nghĩ lại này xuất phát từ một FRB được phát hiện lần đầu tiên vào năm ngoái, được truy nguyên từ "nghĩa địa vũ trụ" của một thiên hà "chết" khổng lồ chứa đầy các ngôi sao cổ đại nằm cách Trái đất 2 tỷ năm ánh sáng.
FRB thường được cho là do cái chết của siêu tân tinh của các ngôi sao trẻ khổng lồ trong các thiên hà trẻ hơn đang trải qua các đợt hình thành sao. Sự kiện này cũng kích hoạt sự ra đời của các sao neutron có từ tính cao, hay "sao từ". Tuy nhiên, thiên hà nguồn FRB này dường như thiếu các yếu tố như vậy, nghĩa là các sự kiện tạo ra FRB có thể đa dạng hơn so với suy nghĩ trước đây.
"FRB mới này cho chúng ta thấy rằng ngay khi bạn nghĩ rằng mình hiểu một hiện tượng thiên văn vật lý, thì vũ trụ lại xoay chuyển và khiến chúng ta ngạc nhiên", thành viên nhóm nghiên cứu và nhà khoa học Wen-fai Fong của Đại học Northwestern cho biết. "'Cuộc đối thoại' này với vũ trụ là điều khiến lĩnh vực thiên văn học miền thời gian của chúng ta trở nên vô cùng thú vị."
Hầu hết các FRB bùng phát một lần, chỉ kéo dài vài mili giây và phát ra nhiều năng lượng hơn năng lượng mà mặt trời tỏa ra trong một năm. Tuy nhiên, FRB 20240209A bùng phát nhiều lần, với cùng một nguồn tạo ra 21 xung từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2024.
Sáu trong số các xung này được phát hiện bởi một phiên bản nhỏ hơn của CHIME, một kính viễn vọng "outrigger" nằm cách thiết bị chính khoảng 37,3 dặm (60 km). Những outrigger này tồn tại để cho phép các nhà thiên văn học xác định chính xác nguồn FRB mà CHIME phát hiện. Do đó, nhóm nghiên cứu đã có thể thực hiện bài tập quay ngược này đối với FRB 20240209A.
Với nguồn FRB 20240209A được xác định, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các quan sát tiếp theo với W.M. Đài quan sát Keck và Gemini tìm hiểu càng nhiều càng tốt về môi trường của nó.
Nếu các nhà khoa học mong đợi một thiên hà trẻ như nguồn FRB thông thường, họ sẽ phải ngạc nhiên. Cuộc điều tra tiếp theo của họ cho thấy FRB 20240209A có nguồn gốc từ rìa của một thiên hà 11,3 tỷ năm tuổi.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu tìm hiểu thêm về thiên hà này bằng cách thực hiện các mô phỏng máy tính tiên tiến. Điều này cho thấy thiên hà chủ của FRB này cực kỳ sáng và có khối lượng gấp khoảng 100 tỷ lần khối lượng mặt trời của chúng ta.
"Có vẻ như đây là thiên hà chủ của FRB lớn nhất cho đến nay", thành viên nhóm nghiên cứu và nhà khoa học Tarraneh Eftekhari của Trung tâm nghiên cứu và khám phá liên ngành về vật lý thiên văn (CIERA) Tây Bắc cho biết. "Nó nằm trong số những thiên hà lớn nhất ngoài kia".
"Trong số các FRB, FRB này nằm xa trung tâm thiên hà chủ nhất", Vishwangi Shah, một nghiên cứu sinh tại McGill, người dẫn đầu nỗ lực xác định nguồn phát của FRB 20240209A, cho biết. "Điều này vừa đáng ngạc nhiên vừa thú vị, vì FRB được cho là có nguồn gốc bên trong các thiên hà, thường là ở các vùng hình thành sao.
"Vị trí của FRB này nằm xa thiên hà chủ của nó đặt ra câu hỏi về cách các sự kiện năng lượng như vậy có thể xảy ra ở những vùng không có ngôi sao mới nào hình thành."
Trước đó, chỉ có một FRB từng được phát hiện ở ranh giới bên ngoài của một thiên hà.
Năm 2022, FRB 20200120E được phát hiện đến một cụm sao dày đặc, hay cụm sao cầu, ở vùng ngoại ô của Messier 81 (M81), một thiên hà xoắn ốc cách Trái đất khoảng 12 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Ursa Major.
Mặc dù xuất phát từ các thiên hà rất khác nhau, FRB 20240209A và FRB 20200120E có nhiều điểm tương đồng.
"Vài năm trước, FRB M81 đã bất ngờ được phát hiện trong một cụm sao dày đặc được gọi là cụm sao cầu", Fong cho biết. "Sự kiện đó đã một mình ngăn chặn dòng suy nghĩ thông thường và khiến chúng tôi khám phá các kịch bản tiền thân khác cho FRB".
Kể từ khi FRB 20200120E được phát hiện, không có FRB nào giống như vậy được quan sát thấy. Điều đó khiến Fong và nhóm nghiên cứu tin rằng FRB 20200120E là một khám phá duy nhất - cho đến bây giờ.
"Trên thực tế, FRB CHIME này có thể là cặp song sinh của sự kiện M81. Nó ở rất xa thiên hà quê hương của nó, rất xa nơi bất kỳ ngôi sao nào được sinh ra và quần thể các ngôi sao trong thiên hà quê hương của nó cực kỳ già. Nó đã có thời kỳ hoàng kim và hiện đang dần đi vào giai đoạn nghỉ hưu", Fong cho biết. "Đồng thời, loại môi trường cũ này khiến chúng ta phải suy nghĩ lại về các mô hình tiền thân FRB tiêu chuẩn của mình và chuyển sang các kênh hình thành kỳ lạ hơn, điều này thật thú vị."
Giống như tất cả các sao neutron, sao từ được hình thành khi các ngôi sao khổng lồ cạn kiệt nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân. Điều này có nghĩa là luồng năng lượng hướng ra ngoài hỗ trợ chúng chống lại sự sụp đổ bị cắt đứt và ngôi sao không còn có thể tự chống lại lực hướng vào nghiền nát của lực hấp dẫn của chính nó nữa.
Khi lõi của ngôi sao nhanh chóng bị nghiền nát để tạo thành một sao neutron, các lớp bên ngoài và hầu hết khối lượng của ngôi sao bị thổi bay trong một siêu tân tinh sụp đổ lõi.
"Thuyết phổ biến nhất là FRB đến từ sao từ được hình thành thông qua siêu tân tinh sụp đổ lõi", Eftekhari cho biết. "Có vẻ như trường hợp này không xảy ra. Trong khi các ngôi sao trẻ, khối lượng lớn kết thúc cuộc đời của chúng dưới dạng siêu tân tinh sụp đổ lõi, chúng tôi không thấy bất kỳ bằng chứng nào về các ngôi sao trẻ trong thiên hà này.
"Nhờ khám phá mới này, một bức tranh đang xuất hiện cho thấy không phải tất cả các FRB đều đến từ các ngôi sao trẻ. Có thể có một phân nhóm FRB liên quan đến các hệ thống cũ hơn."
Các nhà nghiên cứu tin rằng giống như FRB 20200120E, FRB 20240209A có thể đến từ một cụm cầu. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì các cụm cầu có liên quan đến các sự kiện mạnh khác liên quan đến các ngôi sao cũ hơn, bao gồm va chạm và sáp nhập của hai sao neutron hoặc một sao lùn trắng sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó. Các sự kiện cũng có thể tạo ra FRB.
"Nguồn gốc cụm cầu cho FRB lặp lại này là kịch bản có khả năng xảy ra nhất để giải thích tại sao FRB này nằm bên ngoài thiên hà chủ của nó", Shah nói. "Chúng tôi không biết chắc chắn liệu có cụm cầu ở vị trí FRB hay không và đã đệ trình một đề xuất sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb để theo dõi vị trí FRB. Nếu có, điều này sẽ khiến FRB này trở thành FRB thứ hai được biết đến nằm trong một cụm cầu.
"Nếu không, chúng ta sẽ phải cân nhắc các kịch bản kỳ lạ thay thế cho nguồn gốc của FRB."
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà thiên văn học đã xác định chính xác nguồn gốc của các vụ nổ vô tuyến lặp lại bí ẩn từ không gian
— Các vụ nổ vô tuyến nhanh đến từ đâu? Các nhà thiên văn học liên kết các vụ phun trào bí ẩn với các thiên hà khổng lồ
— Các vụ nổ vô tuyến nhanh bí ẩn có thể do các tiểu hành tinh va vào các ngôi sao chết
"Rõ ràng là vẫn còn rất nhiều không gian khám phá thú vị khi nói đến FRB và môi trường của chúng có thể nắm giữ chìa khóa để mở khóa bí mật của chúng", Eftekhari kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được trình bày chi tiết vào cuối tháng 1 trong hai bài báo được công bố trên The Astrophysical Journal Letters.
Sự suy nghĩ lại này xuất phát từ một FRB được phát hiện lần đầu tiên vào năm ngoái, được truy nguyên từ "nghĩa địa vũ trụ" của một thiên hà "chết" khổng lồ chứa đầy các ngôi sao cổ đại nằm cách Trái đất 2 tỷ năm ánh sáng.
FRB thường được cho là do cái chết của siêu tân tinh của các ngôi sao trẻ khổng lồ trong các thiên hà trẻ hơn đang trải qua các đợt hình thành sao. Sự kiện này cũng kích hoạt sự ra đời của các sao neutron có từ tính cao, hay "sao từ". Tuy nhiên, thiên hà nguồn FRB này dường như thiếu các yếu tố như vậy, nghĩa là các sự kiện tạo ra FRB có thể đa dạng hơn so với suy nghĩ trước đây.
"FRB mới này cho chúng ta thấy rằng ngay khi bạn nghĩ rằng mình hiểu một hiện tượng thiên văn vật lý, thì vũ trụ lại xoay chuyển và khiến chúng ta ngạc nhiên", thành viên nhóm nghiên cứu và nhà khoa học Wen-fai Fong của Đại học Northwestern cho biết. "'Cuộc đối thoại' này với vũ trụ là điều khiến lĩnh vực thiên văn học miền thời gian của chúng ta trở nên vô cùng thú vị."
Một tín hiệu vô tuyến lặp lại bí ẩn
Nghiên cứu thay đổi lý thuyết này bắt đầu vào tháng 2 năm 2024 khi Thí nghiệm lập bản đồ cường độ hydro của Canada (CHIME) phát hiện ra một FRB mới, sau đó được đặt tên là FRB 20240209A.Hầu hết các FRB bùng phát một lần, chỉ kéo dài vài mili giây và phát ra nhiều năng lượng hơn năng lượng mà mặt trời tỏa ra trong một năm. Tuy nhiên, FRB 20240209A bùng phát nhiều lần, với cùng một nguồn tạo ra 21 xung từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2024.
Sáu trong số các xung này được phát hiện bởi một phiên bản nhỏ hơn của CHIME, một kính viễn vọng "outrigger" nằm cách thiết bị chính khoảng 37,3 dặm (60 km). Những outrigger này tồn tại để cho phép các nhà thiên văn học xác định chính xác nguồn FRB mà CHIME phát hiện. Do đó, nhóm nghiên cứu đã có thể thực hiện bài tập quay ngược này đối với FRB 20240209A.
Với nguồn FRB 20240209A được xác định, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các quan sát tiếp theo với W.M. Đài quan sát Keck và Gemini tìm hiểu càng nhiều càng tốt về môi trường của nó.
Nếu các nhà khoa học mong đợi một thiên hà trẻ như nguồn FRB thông thường, họ sẽ phải ngạc nhiên. Cuộc điều tra tiếp theo của họ cho thấy FRB 20240209A có nguồn gốc từ rìa của một thiên hà 11,3 tỷ năm tuổi.
Nhóm nghiên cứu bắt đầu tìm hiểu thêm về thiên hà này bằng cách thực hiện các mô phỏng máy tính tiên tiến. Điều này cho thấy thiên hà chủ của FRB này cực kỳ sáng và có khối lượng gấp khoảng 100 tỷ lần khối lượng mặt trời của chúng ta.
"Có vẻ như đây là thiên hà chủ của FRB lớn nhất cho đến nay", thành viên nhóm nghiên cứu và nhà khoa học Tarraneh Eftekhari của Trung tâm nghiên cứu và khám phá liên ngành về vật lý thiên văn (CIERA) Tây Bắc cho biết. "Nó nằm trong số những thiên hà lớn nhất ngoài kia".
Một FRB ở rìa
Nguồn gốc của FRB này trong thiên hà cũng đặt ra một câu đố. Đó là vì FRB thường có nguồn gốc tốt trong các thiên hà của chúng. Tuy nhiên, FRB 20240209A đến từ vùng ngoại ô của thiên hà chủ, cách trung tâm thiên hà khoảng 130.000 năm ánh sáng."Trong số các FRB, FRB này nằm xa trung tâm thiên hà chủ nhất", Vishwangi Shah, một nghiên cứu sinh tại McGill, người dẫn đầu nỗ lực xác định nguồn phát của FRB 20240209A, cho biết. "Điều này vừa đáng ngạc nhiên vừa thú vị, vì FRB được cho là có nguồn gốc bên trong các thiên hà, thường là ở các vùng hình thành sao.
"Vị trí của FRB này nằm xa thiên hà chủ của nó đặt ra câu hỏi về cách các sự kiện năng lượng như vậy có thể xảy ra ở những vùng không có ngôi sao mới nào hình thành."
Trước đó, chỉ có một FRB từng được phát hiện ở ranh giới bên ngoài của một thiên hà.
Năm 2022, FRB 20200120E được phát hiện đến một cụm sao dày đặc, hay cụm sao cầu, ở vùng ngoại ô của Messier 81 (M81), một thiên hà xoắn ốc cách Trái đất khoảng 12 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Ursa Major.
Mặc dù xuất phát từ các thiên hà rất khác nhau, FRB 20240209A và FRB 20200120E có nhiều điểm tương đồng.
"Vài năm trước, FRB M81 đã bất ngờ được phát hiện trong một cụm sao dày đặc được gọi là cụm sao cầu", Fong cho biết. "Sự kiện đó đã một mình ngăn chặn dòng suy nghĩ thông thường và khiến chúng tôi khám phá các kịch bản tiền thân khác cho FRB".
Kể từ khi FRB 20200120E được phát hiện, không có FRB nào giống như vậy được quan sát thấy. Điều đó khiến Fong và nhóm nghiên cứu tin rằng FRB 20200120E là một khám phá duy nhất - cho đến bây giờ.
"Trên thực tế, FRB CHIME này có thể là cặp song sinh của sự kiện M81. Nó ở rất xa thiên hà quê hương của nó, rất xa nơi bất kỳ ngôi sao nào được sinh ra và quần thể các ngôi sao trong thiên hà quê hương của nó cực kỳ già. Nó đã có thời kỳ hoàng kim và hiện đang dần đi vào giai đoạn nghỉ hưu", Fong cho biết. "Đồng thời, loại môi trường cũ này khiến chúng ta phải suy nghĩ lại về các mô hình tiền thân FRB tiêu chuẩn của mình và chuyển sang các kênh hình thành kỳ lạ hơn, điều này thật thú vị."
FRB không có siêu tân tinh
Cho đến nay, khoảng 100 FRB đã được liên kết với một vật chủ thiên hà và hầu hết trong số chúng đều được kết nối với một sao từ - một dạng sao neutron có từ tính cao.Giống như tất cả các sao neutron, sao từ được hình thành khi các ngôi sao khổng lồ cạn kiệt nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân. Điều này có nghĩa là luồng năng lượng hướng ra ngoài hỗ trợ chúng chống lại sự sụp đổ bị cắt đứt và ngôi sao không còn có thể tự chống lại lực hướng vào nghiền nát của lực hấp dẫn của chính nó nữa.
Khi lõi của ngôi sao nhanh chóng bị nghiền nát để tạo thành một sao neutron, các lớp bên ngoài và hầu hết khối lượng của ngôi sao bị thổi bay trong một siêu tân tinh sụp đổ lõi.
"Thuyết phổ biến nhất là FRB đến từ sao từ được hình thành thông qua siêu tân tinh sụp đổ lõi", Eftekhari cho biết. "Có vẻ như trường hợp này không xảy ra. Trong khi các ngôi sao trẻ, khối lượng lớn kết thúc cuộc đời của chúng dưới dạng siêu tân tinh sụp đổ lõi, chúng tôi không thấy bất kỳ bằng chứng nào về các ngôi sao trẻ trong thiên hà này.
"Nhờ khám phá mới này, một bức tranh đang xuất hiện cho thấy không phải tất cả các FRB đều đến từ các ngôi sao trẻ. Có thể có một phân nhóm FRB liên quan đến các hệ thống cũ hơn."
Các nhà nghiên cứu tin rằng giống như FRB 20200120E, FRB 20240209A có thể đến từ một cụm cầu. Điều này có ý nghĩa quan trọng vì các cụm cầu có liên quan đến các sự kiện mạnh khác liên quan đến các ngôi sao cũ hơn, bao gồm va chạm và sáp nhập của hai sao neutron hoặc một sao lùn trắng sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó. Các sự kiện cũng có thể tạo ra FRB.
"Nguồn gốc cụm cầu cho FRB lặp lại này là kịch bản có khả năng xảy ra nhất để giải thích tại sao FRB này nằm bên ngoài thiên hà chủ của nó", Shah nói. "Chúng tôi không biết chắc chắn liệu có cụm cầu ở vị trí FRB hay không và đã đệ trình một đề xuất sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb để theo dõi vị trí FRB. Nếu có, điều này sẽ khiến FRB này trở thành FRB thứ hai được biết đến nằm trong một cụm cầu.
"Nếu không, chúng ta sẽ phải cân nhắc các kịch bản kỳ lạ thay thế cho nguồn gốc của FRB."
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà thiên văn học đã xác định chính xác nguồn gốc của các vụ nổ vô tuyến lặp lại bí ẩn từ không gian
— Các vụ nổ vô tuyến nhanh đến từ đâu? Các nhà thiên văn học liên kết các vụ phun trào bí ẩn với các thiên hà khổng lồ
— Các vụ nổ vô tuyến nhanh bí ẩn có thể do các tiểu hành tinh va vào các ngôi sao chết
"Rõ ràng là vẫn còn rất nhiều không gian khám phá thú vị khi nói đến FRB và môi trường của chúng có thể nắm giữ chìa khóa để mở khóa bí mật của chúng", Eftekhari kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được trình bày chi tiết vào cuối tháng 1 trong hai bài báo được công bố trên The Astrophysical Journal Letters.
