‘Tia Chớp Gamma Sáng Nhất Mọi Thời Đại’ Kích Thích Cuộc Săn Tìm Siêu Tân Tinh

Vào buổi sáng ngày 9 tháng 10, hộp thư của các nhà thiên văn đột ngột nhận được một cảnh báo tương đối khiêm tốn: Trạm Quan Sát Swift của NASA vừa phát hiện một tia sáng năng lượng mới, được cho là đến từ nơi đâu đó trong Dải Ngân Hà của chúng ta. Nhưng sau 6 giờ—khi các nhà khoa học nhận ra rằng một thiết bị trên Kính Viễn Vọng Không Gian Fermi cũng đã phát hiện sự kiện này—một email cấp bách khác đã đến. “Chúng tôi tin rằng nguồn này hiện có thể là một tia chớp gamma,” nó viết. “Điều này gợi ý về một sự phát nổ cực kỳ năng lượng cao, và do đó chúng tôi mạnh mẽ khuyến khích theo dõi tiếp.” Nói cách khác, đây là cơ hội làm nên sự nghiệp để bắt kịp một sự kiện thiên văn hiếm có trong thời gian thực.

Các nhà thiên văn trên khắp thế giới đã bắt đầu hành động. Họ háo hức chỉ đạo các kính viễn vọng của họ vào sự phát nổ mạnh mẽ này của những photons năng lượng mạnh nhất trong vũ trụ của chúng ta. “Và khi nói về ‘mạnh mẽ’, tôi có nghĩa là như một ống phóng xa của sự phát xạ,” nhà thiên văn vật lý học Wen-fai Fong từ Đại Học Northwestern nói. Các vụ nổ như vậy được cho là do siêu tân tinh của các ngôi sao khổng lồ, sụp đổ phá hoại tạo ra các lỗ đen. Vụ nổ, có tên gọi GRB 221009A, đã xảy ra khoảng 2 tỷ năm ánh sáng xa trong chòm sao Sagitta—một trong những sự kiện gần nhất và mạnh mẽ nhất từng được quan sát—và có khả năng một trong những ống phóng hướng trực tiếp về Trái Đất. Các yếu tố này cùng nhau tạo nên một tia sáng ít nhất là 10 lần sáng hơn tất cả các tia khác được quan sát trong ba thập kỷ kể từ khi các tia chớp như vậy được phát hiện, khiến một số nhà thiên văn gọi nó là “BOAT”—sáng nhất mọi thời đại.

“Tôi luôn nghĩ, điều này có thực không? Bởi nếu có, đó là một sự kiện cực kỳ hiếm có, một lần trong đời,” Fong nói. Cô và những người khác đang chăm chỉ thu thập dữ liệu mà họ hy vọng sẽ xác nhận rằng các tia thực sự đến từ một siêu tân tinh, và giúp họ phân lập những đặc tính sao nào dẫn đến một vụ nổ năng lượng cao như vậy và có bao nhiêu vật liệu sụp đổ bởi lỗ đen trẻ. (Các suy luận lý thuyết đã bắt đầu xuất hiện trên máy chủ preprint arXiv.)

Mặc dù việc phát hiện siêu tân tinh hiện nay khá phổ biến, việc bắt gặp một trong kết hợp với một tia chớp gamma là hiếm hoi—thông thường chúng quá mờ để xuất hiện vì chúng quá xa xôi, và chỉ một phần nhỏ siêu tân tinh thực sự tạo ra những vụ nổ này. Nhưng vì vụ nổ này rất mạnh mẽ, các nhà khoa học mong đợi sẽ nhìn thấy siêu tân tinh rất rõ. “Nó thực sự đã làm mới lại cộng đồng,” Fong nói. “Mọi người có kính viễn vọng, ngay cả khi họ thông thường không nghiên cứu về tia chớp gamma, đều cố gắng chỉ đạo máy cảm biến của họ vào điểm này để có được bộ dữ liệu hoàn chỉnh nhất có thể.”

Các tia gamma từ vụ nổ được ghi lại trong vài trăm giây. Tiếp theo là một loạt các photons năng lượng thấp hơn, bao gồm tia X, ánh sáng quang và hồng ngoại, và sóng vô tuyến. Chính bức sau sáng này là điều mà các nhà thiên văn tại các kính viễn vọng trên mặt đất háo hức chờ đợi, bởi việc quan sát cách dòng photons thay đổi theo thời gian sẽ giúp họ xác định các loại sao tạo ra những vụ nổ như vậy, các cơ chế thúc đẩy những vụ nổ này, và môi trường kết quả chúng tạo ra. Những thông tin này có thể làm sáng tỏ ảnh hưởng của các tia chớp gamma đối với thế hệ sao tương lai, và xác định liệu cái chết của ngôi sao có tạo điều kiện cho sự sống trên Trái Đất hay không bằng cách tạo ra các nguyên tử nặng có thể làm nóng lõi của hành tinh và giúp duy trì trường từ của nó.

Bởi vì phát xạ lan rộng gần như tất cả các bước sóng ánh sáng, nhiều thiết bị khác nhau có thể quan sát nó, điều này đã biến vụ nổ sau sáng của tia chớp gamma trở thành một sự kiện khoa học toàn cầu. Các vệ tinh quỹ đạo như NuSTAR của NASA đang đo các tia X năng lượng cao của nó, trong khi các địa điểm như Mảng Kính Viễn Vọng Compact Australia đang thu thập sóng vô tuyến của vụ nổ. “Nếu chúng ta không có dữ liệu một đêm, chúng ta có thể đảm bảo rằng sẽ có người khác có,” Jillian Rastinejad, một sinh viên sau đại học tại Northwestern làm việc với Fong, nói. Cùng nhau, họ đang đứng đầu quan sát ánh sáng nhìn thấy từ vụ nổ bằng kính viễn vọng Gemini South tại Chile, dữ liệu này sẽ được bổ sung bởi các đo lường từ Kính Viễn Vọng Khám Phá Lowell ở Arizona, Trạm Kính Viễn Vọng Quang Học Bohyunsun của Hàn Quốc, và Kính Viễn Vọng Quang Học Nhanh Devasthal của Ấn Độ. Ngay cả Kính Viễn Vọng Không Gian James Webb cũng tham gia vào cuộc hành động này, khi các nhà khoa học báo cáo về sau sáng quan sát được ở hồng ngoại vào thứ Sáu tuần trước.

Những photons này sẽ tồn tại trong vài tháng—có thể là nhiều năm—mặc dù chúng đã bắt đầu mờ dần. Nhưng các nhà khoa học cũng đang mong đợi điều gì đến sau sau sáng: một đỉnh tăng sáng quang và hồng ngoại đến từ siêu tân tinh rõ ràng, sẽ xác nhận rằng vụ nổ tia chớp gamma thực sự được kích hoạt bởi một sự chết của ngôi sao thảm khốc. Tín hiệu này thường xuất hiện 14 đến 20 ngày sau vụ nổ.

Với dữ liệu này, các nhà thiên văn có thể tiềm ẩn liên kết sự tồn tại của các nguyên tố nặng, như bạc và vàng, với môi trường xung quanh vụ nổ. Trong năm 2017, họ phát hiện rằng những tia chớp gamma ngắn—chúng chỉ kéo dài vài giây—tạo ra điều kiện nóng, dày đặc, và giàu neutron cần thiết để tạo ra các thành viên nặng hơn trong bảng tuần hoàn, như thorium, một nguyên tố phóng xạ phân hủy trong lõi Trái Đất để tạo nhiệt. Nhưng Brian Metzger, một nhà thiên văn vật lý học tại Đại học Columbia, có một linh cảm rằng những vụ nổ kéo dài có thể làm điều này. “Chúng ta chưa có nhiều cơ hội để nhìn thấy siêu tân tinh từ những loại tia chớp gamma rất năng lượng cao này,” ông nói, nhưng sự kiện này sẽ cho phép lý thuyết của ông được kiểm tra. “Vì vậy, tôi mong đợi một số bất ngờ.”

Tại một số kính viễn vọng, những ngày thu thập dữ liệu—hoặc chính xác hơn, những đêm—đã đếm ngược. Sớm thôi, vụ nổ sẽ ở một vị trí thiên cung không còn nhìn thấy từ những điểm quan sát này sau khi mặt trời lặn. Những nhà thiên văn đó sẽ chuyển sang đặc điểm hóa những phát hiện đầu tiên về vụ nổ. Nhưng việc phân tích dữ liệu có thể khó khăn, đặc biệt đối với những người nghiên cứu về các tia gamma ban đầu. “Các thiết bị của chúng tôi rất nhạy, và chúng được thiết kế để phát hiện các nguồn sáng mờ,” Judith Racusin, một nhà khoa học dự án phó của Kính Viễn Vọng Không Gian Fermi nói. Nhưng lần này, hàng triệu photons đã được thu thập. “Chúng tất cả như bị trộn lẫn với nhau,” cô nói. “Vì vậy thay vì phát hiện năng lượng của mỗi tia gamma cá nhân, chúng ta phát hiện tổng năng lượng của những tia gamma đó.” Điều đó sẽ làm cho việc rút ra thông tin từ số photons thực sự quan sát được và năng lượng của chúng trở nên khó khăn—một điều bất lợi khi vụ nổ sáng quá mức đặc biệt này.

Tuy nhiên, các nhà thiên văn biết họ may mắn khi đã chứng kiến một sự kiện như vậy. “Thật sự là phấn khích khi có một con quái vật như vậy ở trong khu vực chúng ta,” Metzger nói. Họ mong đợi sẽ xác nhận sự sụp đổ của ngôi sao là nguyên nhân gốc của vụ nổ ngay trong tuần này—mặc dù sẽ mất thời gian để công bố kết quả đó. Trong khi chờ đợi, họ sẽ tiếp tục ghi lại những phần còn sáng của vụ nổ, chia sẻ các quan sát mới với nhau, và lý giải về vật lý đằng sau cái mà nhiều người gọi là sự kiện thiên văn của thế kỷ. “Đây là một nỗ lực liên tục,” Fong nói. “Và chúng tôi chỉ đang theo dõi câu chuyện diễn ra.”