Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Những quan sát vô song về vụ nổ nova năm 2018 của bộ ba vệ tinh bao gồm hai nhiệm vụ của NASA đã thu được bằng chứng trực tiếp đầu tiên rằng sóng xung kích cung cấp hầu hết ánh sáng nhìn thấy của vụ nổ.
Các quan sát chưa từng thấy về vụ nổ Nova năm 2018 bởi bộ ba vệ tinh bao gồm hai nhiệm vụ của NASA đã thu được bằng chứng trực tiếp đầu tiên rằng hầu hết ánh sáng nhìn thấy của vụ nổ phát sinh từ sóng xung kích – đột ngột thay đổi áp suất và nhiệt độ hình thành trong các mảnh vụ nổ.
Nova là một ngôi sao sáng đột ngột, ngắn ngủi của một ngôi sao không rõ ràng. Nó xảy ra khi một dòng hydro từ một ngôi sao đồng hành chảy lên bề mặt của một sao lùn trắng, một chất kết dính sao nhỏ gọn không lớn hơn Trái đất. Các kính viễn vọng không gian Fermi và NuSTAR của NASA cùng với vệ tinh BRITE-Toronto của Canada và một số cơ sở trên mặt đất đã nghiên cứu về một chiếc nova.
Elias Aydi, nhà thiên văn học tại Đại học bang Michigan ở East Lansing và đội ngũ quốc tế từ 40 tổ chức cho biết: “Nhờ có một ngôi sao đặc biệt sáng và một thời điểm may mắn, chúng tôi đã có thể thu thập các quan sát tia gamma và tia sáng tốt nhất từng thấy cho đến nay. Chất lượng đặc biệt của dữ liệu của chúng tôi cho phép chúng tôi phân biệt các tia sáng đồng thời trong cả ánh sáng quang học và tia gamma, từ đó cung cấp những bằng chứng sắc bén cho thấy sóng xung kích đóng vai trò chính trong việc tạo ra một số vụ nổ sao.”
Sự bùng nổ năm 2018 bắt nguồn từ một hệ thống sao sau đó được đặt tên là V906 Carinae nằm cách chòm sao Carina khoảng 13.000 năm ánh sáng. Theo thời gian – có lẽ hàng chục ngàn năm đối với một Nova cổ xưa như V906 Carinae – lớp hydro sâu của sao lùn trắng đạt đến nhiệt độ và áp lực quan trọng. Sau đó nó phun trào trong một phản ứng lan toả và thổi bay tất cả các vật liệu tích lũy.
Mỗi vụ nổ Nova sẽ giải phóng tổng cộng 10.000 đến 100.000 lần sản lượng năng lượng hàng năm của Mặt trời của chúng ta. Các nhà thiên văn học đã khám phá ra khoảng 10 novae mỗi năm trong thiên hà của chúng ta.
Fermi đã phát hiện ra chiếc Nova đầu tiên của mình vào năm 2010 và đã quan sát nó được 14 ngày. Mặc dù các nghiên cứu về tia X và radio đã cho thấy sự hiện diện của sóng xung kích trong các mảnh vỡ của Nova trong vài tuần sau khi vụ nổ đạt đến độ sáng cực đại thì phát hiện của Fermi đã gây ra bất ngờ.
Tia gamma – dạng ánh sáng có năng lượng cao nhất – đòi hỏi các quá trình tăng tốc các hạt hạ nguyên tử thành năng lượng cực mạnh. Khi các hạt này tương tác với nhau và với vật chất khác, chúng tạo ra tia gamma. Nhưng các nhà thiên văn học đã không mong đợi novae đủ mạnh để tạo ra mức độ gia tốc cần thiết.
Do các tia gamma xuất hiện cùng thời điểm với cực đại của ánh sáng khả kiến, các nhà thiên văn học kết luận rằng sóng xung kích đóng vai trò cơ bản hơn trong vụ nổ và hậu quả của nó.
Vào năm 2015, một bài báo do Brian Metzger tại Đại học Columbia ở New York dẫn đầu đã chỉ ra cách so sánh dữ liệu tia gamma Fermi với các quan sát quang học sẽ cho phép các nhà khoa học tìm hiểu thêm về sóng xung kích Nova. Vào năm 2017, một nghiên cứu do Kwon-Lok Li tại bang Michigan dẫn đầu đã phát hiện ra rằng tia gamma tổng thể và lượng khí thải nhìn thấy đã tăng và giảm dần trong một ngôi sao được gọi là V5856 Sagittarii. Điều này ngụ ý rằng sóng xung kích tạo ra nhiều ánh sáng của vụ phun trào hơn là sao lùn trắng.
Những quan sát mới từ V906 Carinae được trình bày trong một bài báo do Aydi dẫn đầu và được công bố vào thứ Hai, ngày 13 tháng 4, trong Thiên văn học Tự nhiên đã xác nhận một cách ngoạn mục kết luận này.
Vào ngày 20 tháng 3 năm 2018, khảo sát tự động toàn bộ bầu trời cho Siêu tân tinh, một bộ gồm hai chục kính viễn vọng robot được phân phối trên toàn cầu và được điều hành bởi Đại học bang Ohio đã phát hiện ra chiếc Nova. Vào cuối tháng, V906 Carinae có thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Một cách tình cờ, một vệ tinh có tên BRITE-Toronto đã nghiên cứu về bầu trời của Nova. Tàu vũ trụ thu nhỏ này là một trong năm nanosatellites khối 7,9 inch (20 cm) bao gồm Chòm sao thám hiểm mục tiêu sáng (BRITE). Được vận hành bởi một nhóm các trường đại học từ Canada, Áo và Ba Lan, các vệ tinh BRITE nghiên cứu cấu trúc và sự tiến hóa của các ngôi sao sáng và quan sát cách chúng tương tác với môi trường của chúng.
BRITE-Toronto đang theo dõi một ngôi sao khổng lồ màu đỏ có tên HD 92063, có hình ảnh chồng lên vị trí của Nova. Vệ tinh quan sát ngôi sao trong 16 phút trên mỗi quỹ đạo 98 phút, trả lại khoảng 600 phép đo mỗi ngày và ghi lại độ sáng thay đổi của Nova một cách chi tiết.
Kirill Sokolovsky tại bang Michigan chia sẻ: “BRITE-Toronto đã tiết lộ tám ngọn lửa ngắn bùng lên vào khoảng thời gian Nova đạt đến đỉnh điểm, mỗi cái gần gấp đôi độ sáng của Nova. Chúng tôi đã thấy gợi ý về hành vi này trong các phép đo trên mặt đất nhưng không bao giờ rõ ràng như vậy. Thông thường chúng tôi theo dõi novae từ mặt đất với nhiều quan sát ít hơn và thường có những khoảng trống lớn, có tác dụng che giấu những thay đổi ngắn hạn.”
Mặt khác, Fermi gần như bỏ lỡ chương trình. Thông thường Kính thiên văn Khu vực Lớn của nó ánh xạ các tia gamma trên toàn bộ bầu trời cứ sau ba giờ. Nhưng khi Nova xuất hiện, nhóm Fermi đang bận rộn khắc phục sự cố phần cứng đầu tiên của tàu vũ trụ trong gần 10 năm hoạt động trên quỹ đạo – một ổ trên một trong các tấm pin mặt trời của nó đã ngừng di chuyển theo một hướng. Fermi trở lại làm việc đúng lúc để bắt được ba quả pháo sáng cuối cùng của nova.
Trên thực tế, V906 Carinae có độ sáng ít nhất gấp đôi so với tỷ-electron-volt, hay GeV, năng lượng như bất kỳ loại Nova nào khác mà Fermi từng thấy. Để so sánh, năng lượng của ánh sáng khả kiến nằm trong khoảng từ 2 đến 3 volt.
“Khi chúng ta so sánh dữ liệu Fermi và BRITE, chúng ta thấy các ngọn lửa ở cả hai cùng một lúc, vì vậy chúng phải chia sẻ cùng một nguồn – sóng xung kích trong các mảnh vỡ chuyển động nhanh”, Koji Mukai, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Hạt Maryland và Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland. “Khi chúng ta nhìn kỹ hơn, có một dấu hiệu cho thấy các tia sáng trong tia gamma có thể dẫn đến các tia sáng có thể nhìn thấy được. Giải thích tự nhiên là các tia sáng tia gamma đã làm thay đổi quang học.”
Nhóm nghiên cứu cũng quan sát ngọn lửa cuối cùng của vụ phun trào bằng kính viễn vọng không gian NuSTAR của NASA và đây chỉ là lần thứ hai tàu vũ trụ phát hiện ra tia X trong quá trình phát xạ tia gamma cũng như tia gamma của Nova. Sản lượng tia gamma GeV của nova vượt xa mức phát xạ tia X của NuSTAR có khả năng là do Nova ejecta hấp thụ hầu hết các tia X. Ánh sáng năng lượng cao từ sóng xung kích được hấp thụ nhiều lần và phát lại ở những năng lượng thấp hơn trong các mảnh vụn của nova rồi cuối cùng chỉ thoát ra ở bước sóng khả kiến.
Đặt tất cả các quan sát lại với nhau, Aydi và các đồng nghiệp của mình mô tả những gì họ nghĩ đã xảy ra khi V906 Carinae phun trào. Trong những ngày đầu tiên bùng nổ, chuyển động quỹ đạo của các ngôi sao đã quét một đám mây mảnh vụn dày làm từ nhiều vỏ khí thành hình dạng chiếc bánh rán xuất hiện gần như từ góc nhìn của chúng ta. Đám mây mở rộng ra bên ngoài với tốc độ dưới 1,3 triệu dặm / giờ (2,2 triệu kph), tương đương với tốc độ trung bình của gió mặt trời chảy ra từ Mặt trời.
Tiếp theo, một dòng chảy di chuyển nhanh gấp hai lần vào các cấu trúc dày đặc hơn trong “chiếc bánh rán”, tạo ra sóng xung kích phát ra tia gamma và ánh sáng khả kiến, bao gồm bốn tia sáng quang học đầu tiên.
Cuối cùng, khoảng 20 ngày sau vụ nổ, một dòng chảy thậm chí còn nhanh hơn đã đâm vào tất cả các mảnh vỡ chậm hơn với tốc độ khoảng 5,6 triệu dặm / giờ (9 triệu dặm / giờ). Vụ va chạm này đã tạo ra sóng xung kích mới và một đợt tia gamma và tia quang học khác. Các nova chảy ra có khả năng phát sinh từ các phản ứng tổng hợp hạt nhân còn sót lại trên bề mặt của sao lùn trắng.
Các nhà thiên văn học đã đề xuất sóng xung kích như một cách để giải thích sức mạnh tỏa ra từ nhiều loại sự kiện ngắn ngủi khác nhau, chẳng hạn như sáp nhập sao, siêu tân tinh – vụ nổ lớn hơn nhiều liên quan đến sự phá hủy của các ngôi sao – và các sự kiện phá vỡ thủy triều, nơi các hố đen xé sao đi qua. Các quan sát BRITE, Fermi và NuSTAR của V906 Carinae cung cấp một hồ sơ ấn tượng về quá trình như vậy. Các nghiên cứu sâu hơn về novae gần đó sẽ đóng vai trò là các phòng thí nghiệm để hiểu rõ hơn về vai trò của sóng xung kích trong các sự kiện khác mạnh hơn và xa hơn.
Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi là một quan hệ đối tác vật lý thiên văn và vật lý hạt do Trung tâm bay không gian Goddard của NASA quản lý ở Greenbelt, Maryland. Fermi được phát triển với sự hợp tác của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, với sự đóng góp quan trọng từ các tổ chức học thuật và đối tác ở Pháp, Đức, Ý, Nhật Bản, Thụy Điển và Hoa Kỳ.
NuSTAR là một nhiệm vụ thám hiểm nhỏ do Caltech lãnh đạo và được quản lý bởi JPL cho Ban giám đốc sứ mệnh khoa học của NASA tại Washington. NuSTAR được phát triển với sự hợp tác của Đại học Kỹ thuật Đan Mạch và Cơ quan Vũ trụ Ý (ASI). Tàu vũ trụ được xây dựng bởi Tập đoàn Khoa học Quỹ đạo ở Dulles, Virginia. Trung tâm hoạt động sứ mệnh của NuSTAR tại Đại học California Berkeley và kho lưu trữ dữ liệu chính thức tại Trung tâm Nghiên cứu Lưu trữ Khoa học Vật lý Thiên văn Năng lượng Cao của NASA. ASI cung cấp trạm mặt đất của nhiệm vụ và một kho lưu trữ gương. Caltech quản lý JPL cho NASA.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi NASA / Goddard Space Flight Center . Bản gốc được viết bởi Francis Reddy. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Đa phương tiện liên quan :
Tạp chí tham khảo :