Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Vào ngày 15 tháng 4 năm 2020, một chùm ánh sáng năng lượng cao chớp nhoáng quét qua hệ mặt trời, kích hoạt các thiết bị trên nhiều tàu vũ trụ của NASA. Các nhà khoa học cho rằng vụ nổ đến từ một tàn tích sao siêu từ tính nằm trong một thiên hà lân cận.
Vào ngày 15 tháng 4 năm 2020, một chùm ánh sáng năng lượng cao chớp nhoáng quét qua hệ mặt trời, kích hoạt các thiết bị trên một số tàu vũ trụ của NASA và châu Âu. Giờ đây, nhiều nhóm khoa học quốc tế kết luận rằng vụ nổ xuất phát từ tàn tích sao siêu từ tính được gọi là nam châm nằm trong một thiên hà lân cận.
Phát hiện này khẳng định những nghi ngờ lâu nay rằng một số vụ nổ tia gamma (GRB) – những vụ phun trào vũ trụ được phát hiện trên bầu trời gần như hàng ngày – trên thực tế là những tia sáng mạnh từ các nam châm tương đối gần.
Kevin Hurley, một thành viên cao cấp của Phòng thí nghiệm Khoa học Không gian tại Đại học California, Berkeley, cho biết: “Điều này luôn được coi là một khả năng và một số GRB được quan sát từ năm 2005 đã cung cấp bằng chứng trêu ngươi tại cuộc họp ảo lần thứ 237 của Hiệp hội Thiên văn Hoa Kỳ. “Sự kiện ngày 15 tháng 4 là một sự thay đổi cuộc chơi vì chúng tôi nhận thấy rằng vụ nổ gần như chắc chắn nằm trong đĩa của thiên hà NGC 253 gần đó.”
Các bài báo phân tích các khía cạnh khác nhau của sự kiện và ý nghĩa của nó đã được xuất bản vào ngày 13 tháng 1 trên tạp chí Nature and Nature Astronomy .
GRB, những vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ, có thể được phát hiện trong hàng tỷ năm ánh sáng. Những khoảng thời gian kéo dài dưới khoảng hai giây, được gọi là GRB ngắn, xảy ra khi một cặp sao neutron quay quanh quỹ đạo – cả hai đều là tàn tích bị nghiền nát của các ngôi sao đã nổ – xoắn vào nhau và hợp nhất. Các nhà thiên văn đã xác nhận kịch bản này đối với ít nhất một số GRB ngắn vào năm 2017, khi một vụ nổ kéo theo sự xuất hiện của sóng hấp dẫn – những gợn sóng trong không-thời gian – được tạo ra khi các sao neutron hợp nhất cách xa 130 triệu năm ánh sáng.
Nam châm là sao neutron có từ trường mạnh nhất được biết đến, với cường độ gấp một nghìn lần các sao neutron điển hình và gấp 10 nghìn tỷ lần cường độ của nam châm tủ lạnh. Những nhiễu loạn từ trường ở mức độ vừa phải có thể khiến các từ trường nổ ra với các vụ nổ tia X lẻ tẻ trong nhiều tuần hoặc lâu hơn.
Hiếm khi các từ trường tạo ra những vụ phun trào khổng lồ được gọi là những đốm sáng khổng lồ tạo ra tia gamma, dạng ánh sáng có năng lượng cao nhất.
Hầu hết trong số 29 nam châm hiện được xếp vào danh mục trong dải Ngân hà của chúng ta thỉnh thoảng thể hiện hoạt động của tia X, nhưng chỉ có hai sao tạo ra các tia sáng khổng lồ. Sự kiện gần đây nhất, được phát hiện vào ngày 27 tháng 12 năm 2004, đã tạo ra những thay đổi có thể đo được trong tầng khí quyển trên của Trái đất mặc dù phun trào từ một nam châm cách chúng ta khoảng 28.000 năm ánh sáng.
Ngay trước 4:42 sáng EDT vào ngày 15 tháng 4 năm 2020, một vụ nổ ngắn, mạnh mẽ của tia X và tia gamma quét qua sao Hỏa, kích hoạt Máy dò neutron năng lượng cao của Nga trên tàu vũ trụ Mars Odyssey của NASA, đã quay quanh Hành tinh Đỏ kể từ đó 2001. Về 6.6 phút sau, sự bùng nổ kích hoạt công cụ Konus Nga trên vệ tinh của NASA gió, mà quay quanh một điểm giữa Trái đất và Mặt trời nằm khoảng 930.000 dặm (1,5 triệu km). Sau 4,5 giây nữa, bức xạ đi qua Trái đất, kích hoạt các thiết bị trên Kính viễn vọng Không gian Tia Gamma Fermi của NASA, cũng như trên vệ tinh INTEGRAL của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và Màn hình Tương tác Khí quyển-Không gian (ASIM) trên Trạm Vũ trụ Quốc tế.
Vụ phun trào xảy ra ngoài tầm quan sát của Kính viễn vọng Burst Alert (BAT) trên Đài quan sát Neil Gehrels Swift của NASA, vì vậy máy tính trên bo mạch của nó không cảnh báo cho các nhà thiên văn học trên mặt đất. Tuy nhiên, nhờ vào một khả năng mới được gọi là Bộ lưu trữ khẩn cấp tia gamma cho các cơ hội mới lạ (GUANO), nhóm Swift có thể chiếu lại dữ liệu BAT khi các vệ tinh khác kích hoạt một loạt. Phân tích dữ liệu này đã cung cấp thêm thông tin chi tiết về sự kiện.
Xung bức xạ chỉ kéo dài 140 mili giây – nhanh như một cái chớp mắt hoặc một cái búng tay.
Các sứ mệnh Fermi, Swift, Wind, Mars Odyssey và INTEGRAL đều tham gia vào một hệ thống định vị GRB được gọi là Mạng liên hành tinh (IPN). Hiện được tài trợ bởi dự án Fermi, IPN đã hoạt động từ cuối những năm 1970 bằng cách sử dụng các tàu vũ trụ khác nhau nằm trong hệ thống năng lượng mặt trời. Vì tín hiệu đến được với mỗi máy dò vào những thời điểm khác nhau, bất kỳ cặp nào trong số chúng đều có thể giúp thu hẹp vị trí của một vụ nổ trên bầu trời. Khoảng cách giữa các tàu vũ trụ càng lớn thì độ chính xác của kỹ thuật càng tốt.
IPN đã đặt vụ nổ ngày 15 tháng 4, được gọi là GRB 200415A, theo hình vuông ở khu vực trung tâm của NGC 253, một thiên hà xoắn ốc sáng nằm cách xa khoảng 11,4 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Sculptor. Đây là vị trí bầu trời chính xác nhất chưa được xác định cho một nam châm nằm bên ngoài Đám mây Magellan Lớn, một vệ tinh của thiên hà chúng ta và là vật chủ của một ngọn lửa khổng lồ vào năm 1979, lần đầu tiên được phát hiện.
Các tia sáng khổng lồ từ các nam châm trong Dải Ngân hà và các vệ tinh của nó phát triển theo một cách khác biệt, với sự gia tăng nhanh chóng đến độ sáng cực đại, sau đó là một đuôi phát xạ dao động dần dần. Những biến thể này là kết quả của sự quay của nam châm, liên tục đưa vị trí của ngọn lửa vào và ra khỏi tầm nhìn từ Trái đất, giống như một ngọn hải đăng.
Quan sát phần đuôi dao động này là bằng chứng kết luận về một ngọn lửa khổng lồ. Tuy nhiên, được nhìn thấy từ cách xa hàng triệu năm ánh sáng, sự phát xạ này quá mờ để có thể phát hiện bằng các thiết bị ngày nay. Bởi vì những chữ ký này bị thiếu, các pháo sáng khổng lồ trong vùng lân cận thiên hà của chúng ta có thể giả mạo các GRB kiểu sáp nhập xa hơn và mạnh hơn nhiều.
Oliver Roberts, một nhà khoa học liên kết tại Viện Khoa học và Công nghệ của Hiệp hội Nghiên cứu Không gian ở Huntsville, Alabama và là người dẫn đầu cuộc nghiên cứu cho biết: Phân tích chi tiết dữ liệu từ Màn hình Burst tia gamma của Fermi (GBM) và Swift’s BAT.
Đặc biệt, đây là ngọn lửa khổng lồ đầu tiên được biết đến xảy ra kể từ khi Fermi ra mắt năm 2008 và khả năng của GBM để giải quyết các thay đổi ở khoảng thời gian micro giây đã tỏ ra rất quan trọng. Các quan sát cho thấy nhiều xung, với xung đầu tiên xuất hiện chỉ trong 77 micro giây – khoảng 13 lần tốc độ của đèn flash máy ảnh và nhanh hơn gần 100 lần so với sự gia tăng của các GRB nhanh nhất do hợp nhất tạo ra. GBM cũng phát hiện ra sự thay đổi nhanh chóng của năng lượng trong quá trình bùng phát mà chưa từng được quan sát thấy trước đây.
Roberts cho biết thêm: “Những tia sáng khổng lồ trong thiên hà của chúng ta rực rỡ đến mức lấn át các thiết bị của chúng ta, khiến chúng phải bám vào bí mật của chúng. “Lần đầu tiên, GRB 200415A và những tia sáng xa như nó cho phép các thiết bị của chúng tôi nắm bắt mọi đặc điểm và khám phá những vụ phun trào mạnh mẽ này ở độ sâu chưa từng có.”
Những tia sáng khổng lồ chưa được hiểu rõ, nhưng các nhà thiên văn học cho rằng chúng là kết quả của sự sắp xếp lại đột ngột của từ trường. Một khả năng là trường cao trên bề mặt của nam châm có thể trở nên quá xoắn, đột ngột giải phóng năng lượng khi nó lắng xuống một cấu hình ổn định hơn. Ngoài ra, một lỗi cơ học của lớp vỏ nam châm – một vụ động đất – có thể kích hoạt cấu hình lại đột ngột.
Roberts và các đồng nghiệp của ông nói rằng dữ liệu cho thấy một số bằng chứng về các rung chấn địa chấn trong quá trình phun trào. Tia X có năng lượng cao nhất được ghi lại bởi GBM của Fermi đạt tới 3 triệu electron vôn (MeV), hay năng lượng gấp khoảng một triệu lần ánh sáng xanh, bản thân nó đã là một kỷ lục về pháo sáng khổng lồ. Các nhà nghiên cứu cho biết sự phát xạ này phát sinh từ một đám mây gồm các electron và positron được phóng ra chuyển động với tốc độ khoảng 99% tốc độ ánh sáng. Khoảng thời gian ngắn của sự phát xạ, độ sáng và năng lượng thay đổi của nó phản ánh chuyển động quay của nam châm, dốc lên và xuống giống như đèn pha của một chiếc ô tô đang rẽ. Roberts mô tả nó bắt đầu như một đốm màu mờ đục – anh cho rằng nó giống như một quả ngư lôi photon từ loạt phim “Star Trek” – mở rộng và khuếch tán khi nó di chuyển.
Ngư lôi cũng trở thành một trong những bất ngờ lớn nhất của sự kiện. Dụng cụ chính của Fermi, Kính viễn vọng Diện tích Lớn (LAT), cũng phát hiện ba tia gamma, với năng lượng 480 MeV, 1,3 tỷ electron vôn (GeV) và 1,7 GeV – ánh sáng năng lượng cao nhất từng được phát hiện từ một ngọn lửa khổng lồ nam châm. Điều đáng ngạc nhiên là tất cả các tia gamma này xuất hiện rất lâu sau khi ngọn lửa đã giảm đi trong các thiết bị khác.
Nicola Omodei, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Đại học Stanford ở California, đã dẫn đầu nhóm LAT điều tra các tia gamma này, đến từ 19 giây đến 4,7 phút sau sự kiện chính. Các nhà khoa học kết luận rằng tín hiệu này rất có thể đến từ ngọn lửa từ trường. Ông giải thích: “Để LAT phát hiện một GRB ngắn ngẫu nhiên trong cùng một vùng trên bầu trời và gần cùng thời điểm với ngọn lửa, chúng ta sẽ phải đợi ít nhất 6 triệu năm.”
Một nam châm tạo ra dòng chảy ổn định của các hạt chuyển động nhanh. Khi nó di chuyển trong không gian, dòng chảy này đi vào, làm chậm lại và chuyển hướng khí giữa các vì sao. Chất khí tích tụ, trở nên nóng lên và bị nén, và tạo thành một loại sóng xung kích được gọi là chấn động cung.
Trong mô hình do nhóm LAT đề xuất, xung tia gamma ban đầu của ngọn lửa truyền ra ngoài với tốc độ ánh sáng, tiếp theo là đám mây vật chất phóng ra, di chuyển gần như nhanh. Sau vài ngày, cả hai đều đạt đến cú sốc cung. Tia gamma đi qua. Vài giây sau, đám mây hạt – lúc này đã mở rộng thành một lớp vỏ mỏng, rộng lớn – va chạm với khí tích tụ tại cú sốc mũi tàu. Sự tương tác này tạo ra sóng xung kích làm tăng tốc các hạt, tạo ra tia gamma năng lượng cao nhất sau vụ nổ chính.
Vụ nổ ánh sáng ngày 15 tháng 4 chứng minh rằng những sự kiện này tạo thành lớp GRB của riêng chúng. Eric Burns, một trợ lý giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Bang Louisiana ở Baton Rouge, đã dẫn đầu một nghiên cứu điều tra thêm các nghi phạm sử dụng dữ liệu từ nhiều sứ mệnh. Các phát hiện sẽ xuất hiện trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters. Các vụ nổ gần thiên hà M81 vào năm 2005 và thiên hà Andromeda (M31) vào năm 2007 đã được cho là những đốm sáng khổng lồ, và nhóm nghiên cứu cũng đã xác định được một đốm sáng ở M83, cũng được nhìn thấy vào năm 2007 nhưng mới được báo cáo. Thêm vào đó là những ngọn lửa khổng lồ từ năm 1979 và những tia sáng được quan sát thấy trong Dải Ngân hà của chúng ta vào năm 1998 và 2004.
Burns cho biết: “Đó là một mẫu nhỏ, nhưng giờ đây chúng tôi có ý tưởng tốt hơn về năng lượng thực sự của chúng, và chúng tôi có thể phát hiện chúng bao xa. “Một vài phần trăm GRB ngắn có thể thực sự là những tia sáng khổng lồ từ tính. Trên thực tế, chúng có thể là những vụ bùng phát năng lượng cao phổ biến nhất mà chúng tôi phát hiện được cho đến nay ngoài thiên hà của chúng ta – tần suất gấp khoảng 5 lần so với siêu tân tinh.”
Nguồn truyện:
Tài liệu do NASA / Trung tâm bay vũ trụ Goddard cung cấp . Bản gốc do Francis Reddy viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tài liệu tham khảo Tạp chí :