Nhà Thiên Văn Theo Dõi Một Tia Sét Radio Nhanh Đến Nguồn Gốc Của Nó - Một Magnetar

Vào buổi sáng ngày 28 tháng 4, một kính viễn vọng radio mới được xây dựng đang theo dõi bầu trời yên bình trên British Columbia khi nó bắt được tia sáng sẽ thay đổi mọi thứ. Một trong những nhiệm vụ của kính viễn vọng là tìm kiếm các tia sét radio nhanh - những đợt sóng ngắn chỉ trong mili giây mà cho đến lúc đó, luôn đến từ các thiên hà xa xôi. Cho đến giờ chưa ai chắc chắn được điều gì có thể tạo ra những vụ nổ ngắn ngủi của sóng radio, khiến cho tia sét radio nhanh trở thành một trong những câu đố hấp dẫn nhất trong vật lý thiên văn.

Thiết Bị Lập Bản Đồ Độ Tính Hiđrô Canadian, hay Chime, đã phát hiện hàng trăm tia sét radio nhanh kể từ khi đi vào hoạt động vào tháng 7 năm 2018. Một tia sét thông thường có thể được nhìn thấy bởi hai đến năm ăng-ten của thiết bị. Tia sét này đã kích hoạt 93 ăng-ten. “Nó làm cho kính viễn vọng của chúng tôi sáng như một cây thông Giáng Sinh,” nhà thiên văn học Paul Scholz, một thành viên của nhóm Chime thuộc Đại học Toronto, chia sẻ.

Scholz và đồng nghiệp của ông nhanh chóng nhận ra rằng vụ nổ phải ở gần đây, và không chỉ vì tia sáng quá sáng. Vụ phát ra dường như bắt nguồn từ một phần của bầu trời nơi một đối tượng trong Dải Ngân Hà đã phát ra tia X. Sự trùng hợp này rất mạnh mẽ, và nếu xác nhận, nó sẽ giúp nhà thiên văn tìm hiểu nguyên nhân gây ra tia sét radio nhanh.

Tuy nhiên, có một vấn đề. Vụ nổ xảy ra rất xa khỏi phần của bầu trời mà Chime đang theo dõi trực tiếp vào thời điểm đó. Vì vậy, nhóm không thể có được độ sáng tuyệt đối chính xác của nó. Thiếu thông tin đó, họ không thể ngay lập tức xác định xem vụ nổ có đủ mạnh để được coi là một tia sét radio nhanh thực sự hay không. Chắc chắn, nó chỉ kéo dài trong thời gian ngắn và sáng sủa - nhưng độ sáng của nó đã được dự kiến từ trước vì nó quá gần. Nó có thể chỉ là một vụ ói thường, không cung cấp thông tin nào về các vụ phun trào lớn.

Scholz ngay lập tức gửi thông báo với Telegram của Nhà Thiên Văn để cảnh báo các kính viễn vọng khác trên khắp thế giới. Nhà thiên văn dựa tại Viện Công nghệ California nhìn thấy cảnh báo và thực hiện quét nhanh dữ liệu của họ. Khác với Chime, mà nhìn vào các phần nhỏ của bầu trời tại bất kỳ thời điểm nào, kính viễn vọng Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2 (Stare2) của Caltech quan sát toàn bộ bầu trời cùng một lúc, điều này cho phép nhóm Caltech nhanh chóng xác nhận rằng vụ nổ rất mạnh. Trong một phần nhỏ của một giây, các sóng radio được phát ra bởi nguồn này sáng như ánh nắng từ Mặt Trời. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện một phép tính nhanh và xác nhận rằng vụ nổ tương đương với tia sét radio nhanh ngoài thiên hà.

Sau đó, các nhà thiên văn học quay sang nguồn đã biết trước đó: một nhân vật sao siêu mật độ, quay vòng nhanh chóng và có từ tính mạnh mẽ gọi là một magnetar. Với một phát hiện may mắn duy nhất, bí ẩn về nguồn gốc của tia sét radio nhanh dường như đã được giải đáp. “Không phải lúc nào bạn cũng nhận được một gợi ý đậm nét đến vậy mà dường như bất ngờ giải quyết một phần lớn của câu đố,” Jason Hessels của Viện Thiên văn Hà Lan và Đại học Amsterdam nói. “Thường thì chúng ta đang tìm kiếm lời giải thay vì thực hiện một bước nhảy lớn như vậy.”

Với kẻ thủ ác trong tay, nhà thiên văn bây giờ có thể tập trung vào việc xác định chính xác vật lý tinh tế đang diễn ra. Trong tháng qua, một luồng các bài báo đã xuất hiện khi các nhà lý thuyết đã đoán định cách magnetar có thể phóng các đợt sóng radio chói sáng như vậy. Có thể rằng magnetar bắt đầu quá trình bằng cách phóng các hạt mang điện tích trong một vụ nổ mạnh mẽ. Nhưng các nhà thiên văn học đang tranh luận chính xác cách mà vụ nổ đó tạo ra các đợt sóng radio. Điều này tương tự như việc xác định một nhà ảo thuật, Hessels nói, và sau đó cố gắng giải mã bí mật đằng sau mánh khóe của họ.

Cách Một Vụ Nổ Nổ

Nhà thiên văn đã liệt kê khoảng 50 lý thuyết riêng biệt để giải thích tia sét radio nhanh - một con số mà cho đến gần đây vượt qua số lượng các sự kiện. Các ý tưởng bao gồm nhiều tình huống hoang đường liên quan đến các lỗ đen bốc hơi, dây cosmic bật chớp và thậm chí cả các hệ thống động cơ của nền văn minh ngoài hành tinh.

Nhưng khi số lượng phát hiện tăng lên, các nhà khoa học bắt đầu ưa thích một giải thích hơn hết: magnetar. “Có một số đặc điểm của chúng thực sự thu hút chú ý rằng chúng đến từ loại sao neutron từ tính,” Brian Metzger, một nhà thiên văn học tại Đại học Columbia nói. Ví dụ, các sóng của tia sét radio nhanh có độ phân cực cao, ngụ ý rằng chúng đến từ một trường từ mạnh mẽ. Thời gian ngắn của chúng ngụ ý rằng chúng đến từ một vật thể thiên văn tương đối nhỏ. Và chúng phải được cung cấp năng lượng từ một nguồn dự trữ đáng kể.

Tuy nhiên, những người hoài nghi đã lập luận rằng nếu magnetar là nguồn gốc, chúng ta sẽ thấy tia sét radio nhanh trong Dải Ngân Hà của chúng ta. Với vụ nổ này, chúng ta đã thấy. “Một cách nào đó, điều này là một sự giải thoát lớn,” Brian Metzger, người đã làm việc trên các mô hình magnetar nói. “Điều này có nghĩa là tôi không phải vứt bỏ một số năm công việc của mình.”

Nhiệm vụ bây giờ là xác định chính xác cách mà một magnetar tạo ra đợt sóng radio ngắn. Nhiều ý tưởng bắt đầu với một magnetar phóng một vụ nổ năng lượng, thường trong hình thức các cặp electron và positron. Sau đó, các vụ nổ này có thể tạo ra sóng radio thông qua một trong hai cơ chế rộng lớn—một xảy ra trong magnetosphere (lĩnh vực từ tính cường độ cao bao quanh magnetar) và một xảy ra xa hơn nhiều. Trong kịch bản đầu tiên, vụ nổ năng lượng vẫn cố định trên vỏ sao thông qua các đường dây từ tính. Khi vỏ sao liên tục chuyển động, các trường từ này xoắn và quay đến khi chúng bị đứt ra một trạng thái đơn giản hơn, ngay lập tức phát ra một đợt sáng laser của sóng radio.

Trong kịch bản thứ hai, mà Metzger và đồng nghiệp đã xuất bản năm ngoái, vụ nổ năng lượng thoát ra khỏi magnetosphere và đi một khoảng cách lớn - lên đến 1 triệu lần bán kính của magnetar. Ở đây, nó va chạm vào các mảnh vụn cũ xung quanh magnetar và tạo ra một cơn sóng sốc. Cơn sóng sốc di chuyển ra ngoài, nén plasma từ tính trước nó và tạo ra một trường từ phía sau. Sau đó, khi electron bị cuốn theo mặt sóng sốc, chúng bắt đầu quay quanh trường từ - một điệu nhảy mà phát ra một đợt sáng laser của sóng radio khác. Mô hình này đưa ra một dự đoán quan trọng. Cùng cơn sóng sốc tạo ra sóng phát ra radio cũng nhiệt electron, khiến chúng phát ra tia X. Trên thực tế, vụ nổ sẽ phát ra năng lượng tia X gấp 100.000 lần năng lượng sóng radio.

Nhưng khi chỉ có tia sét radio nhanh đến từ các thiên hà xa xôi, không thể kiểm tra dự đoán này. Lý do đơn giản? Kính viễn vọng tia X không nhạy bằng kính viễn vọng radio. Thậm chí cả năng lượng tia X đó vẫn sẽ không thể nhìn thấy được với chúng ta.

Không phải như vậy khi vụ nổ xảy ra ở gần chỗ chúng ta trong vũ trụ. Một phân tích tia X đầy đủ về vụ nổ mới này cho thấy nó phát ra một lượng tia X khổng lồ — hoàn toàn khớp với dự đoán của Metzger. “Tôi kinh ngạc về việc mô hình hoạt động tốt như thế nào,” Metzger nói. “Nó cho bạn một chút động lực và nói, ‘Có lẽ điều này xứng đáng với thời gian của tôi.’”

Sức Hấp Dẫn Của Magnetar

Trong khi một sự kiện duy nhất không thể chứng minh rằng tất cả các tia sét radio nhanh đều đến từ magnetar, Vikram Ravi, một nhà thiên văn tại Caltech, không thấy lý do nào để gọi ra các đối tượng khác để giải thích các hành vi vụ nổ có thể có. Và với lượng bằng chứng đã trỏ vào magnetar ngay trước phát hiện này, Metzger lưu ý rằng có thể giả định rằng các loại magnetar khác nhau có thể giải thích các loại tia sét radio nhanh mà chúng ta thấy. Ví dụ, các tia sét radio nhanh lặp lại có thể đến từ magnetar trẻ, hoạt động mạnh mẽ, có trường từ từ tính mạnh hơn nhiều so với các magnetar trong Dải Ngân Hà của chúng ta.

Mối liên kết này có nghĩa là chúng ta có thể sử dụng các tia sét radio nhanh để xác định magnetar trong vũ trụ xa, cho phép các nhà khoa học xây dựng một danh sách các vật thể cực đoan này và giải thích nguồn gốc của chúng tốt hơn. Trong Dải Ngân Hà của chúng ta, chúng ta nghi ngờ rằng magnetar hình thành trong các vụ nổ siêu tuyệt vời. Nhưng nếu chúng ta bắt đầu thấy chúng trong các thiên hà không có ngôi sao khổng lồ, điều đó có thể chỉ ra các cách tạo ra magnetar kỳ lạ hơn, chẳng hạn như sự va chạm của hai ngôi sao neutron.

Nhưng trước hết, các nhà khoa học sẽ tiếp tục quan sát các magnetar gần đây với hy vọng nhìn thấy một vụ nổ gần chóng mặt khác. Mặc dù mối liên kết với magnetar không phải là một điều bất ngờ hoàn toàn, họ muốn thấy nó được xác nhận thông qua nhiều ví dụ hơn nữa. “Nó vẫn là một điều sốc trong ý nghĩa ‘Ôi Chúa ơi, nó thực sự đúng,’” Hessels nói. “Có một sự khác biệt lớn giữa một số phương trình trên một tờ giấy và sau đó đối mặt với sự thật là nó thực sự tồn tại, rằng chúng ta vừa chứng minh nó.”

Câu chuyện gốc được tái in với sự cho phép từ Tạp chí Quanta, một báo điện tử độc lập với sứ mệnh tăng cường hiểu biết công chúng về khoa học bằng cách bao quát các tiến triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học vật lý và sinh học.

Những câu chuyện tuyệt vời khác từ Mytour

• Điều gì đã xảy ra khi tôi chuyển từ Mac sang Windows
• Làm thế nào nhân viên Kickstarter hình thành một liên đoàn lao động
• 5 cách đơn giản để làm cho hộp thư đến Gmail của bạn an toàn hơn
• Thời kỳ cách ly đã biến đổi not-TV thành TV thiết yếu
• Hãy xây dựng lại ngành công nghiệp thịt hư hỏng—mà không cần đến động vật
• 👁 Trí tuệ là gì thực sự? Cùng nhận tin tức AI mới nhất
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống tại nhà của bạn với những sản phẩm tốt nhất của đội ngũ Gear của chúng tôi, từ robot hút bụi đến nệm giường giá rẻ đến loa thông minh