Quan trắc đầu tiên về sóng hấp dẫn đến từ hai sao neutron đang hợp nhất do LIGO và các detector Virgo thực hiện mới đây – cùng với dữ liệu thu từ các kính thiên văn trên khắp địa cầu và trên vũ trụ - đã khởi động một thời kì mới trong lĩnh vực thiên văn học đa kênh. Trong bài, Imre Bartos mô tả thời khắc bước ngoặt này, thời khắc đã tôn vinh hàng thập niên nghiên cứu và sẽ định hình tương lai của ngành thiên văn học quan trắc. Bài trích từ số tháng Giêng của tạp chí Physics World.
Hình minh họa này cho thấy đám mây mảnh vụn nóng, đặc, đang dãn nở, từ hai sao neutron ngay trước khi chúng va chạm và hợp nhất với nhau. Một số nguyên tố nặng nhất vũ trụ của chúng ta, ví dụ như vàng và bạch kim, được tôi luyện với hàm lượng lớn trong vụ nổ này. Vụ hợp nhất xảy ra trong thiên hà NGC 4993, nằm cách Trái Đất khoảng 130 triệu năm ánh sáng. (Ảnh: Trung tâm Du hành Vũ trụ Goddard của NASA)
Chuyện tưởng chừng kết thúc rồi. Chỉ một tuần nữa là LIGO Tiên tiến và các detector Virgo hoàn tất đợt chạy quan trắc của chúng, và sẽ ngừng hoạt động trong một năm. Thật vậy, nhiều đồng nghiệp của tôi ở đội LIGO-Virgo chuẩn bị đi du lịch, còn tôi đang chờ bà con họ hàng đến thăm. Rồi điện thoại của tôi rung lên. Một tin nhắn tự động, đọc thấy là “NHẮC NHỞ TỪ GWHEN | Sự kiện mới: G298048 | Kiểm tra email của bạn ngay!”, giục tôi lao ngay đến máy tính của mình, và nhìn vào tín hiệu đó trong cơ sở dữ liệu LIGO. Rồi cả một cơn đại hồng thủy cuộc gọi dồn dập sau đó từ các cộng sự, cái trở nên rõ ràng là một thời khắc lịch sử đang mở ra. Chúng tôi, các nhà thiên văn học quan trắc, cần phải hành động nhanh chóng, và vì các kết quả của chúng tôi vẫn là bí mật, cho nên tôi thậm chí chẳng nói được gì với bà con của mình, họ vừa tới nơi trong chưng hửng, vì sao tôi cần phải đi làm.
Vào ngày 17 tháng Tám 2017, các detector LIGO ở Louisiana và Washington phát hiện thấy sóng hấp dẫn đến từ sự va chạm của hai sao neutron – những ngôi sao chết cực kì đậm đặc cân nặng bằng Mặt Trời của chúng ta, nhưng chỉ vừa vặn 20 km đường kính, đại khái bằng kích cỡ khu Manhattan. Một sự kiện như thế đã được lường trước trong hàng thập kỉ, nhưng chưa từng được quan sát thấy cho đến bây giờ. Trong vòng hai giây sau khi sóng hấp dẫn tới tại LIGO, Kính thiên văn Vũ trụ Tia gamma Fermi của NASA phát hiện thấy một vụ nổ tia gamma ngắn. Vụ nổ này làm cho sự kiện càng rõ ràng hơn: việc dò thấy sóng hấp dẫn – đặt tên là GW170817 – không phải là một cảnh báo sai, và các đài thiên văn trên khắp địa cầu cần phải nhanh chóng chuyển hướng về phía vụ va chạm, nếu không sẽ đánh mất dữ liệu mãi mãi. Hơn 70 kính thiên văn và đài thiên văn trên khắp địa cầu và trên vũ trụ đã nhanh chóng được báo tin, và đã có thể triển khai một nghiên cứu phối hợp về vụ hợp nhất đó và dư hậu của nó, trên toàn bộ phổ điện từ - tia gamma, tia X, ánh sáng, sóng vô tuyến – và neutrino. Một thời kì mới trong lĩnh vực thiên văn học đa kênh đã bắt đầu (hình 1).
Vào ngày 17 tháng Tám 2017, LIGO phát hiện sóng hấp dẫn đến từ một vụ va chạm sao neutron. Trong vòng 12 giờ, các đài thiên văn đã nhận dạng được nguồn phát của sự kiện GW170817 nằm trong thiên hà NGC 4993 – thể hiện trong bức ảnh chụp này do Kính thiên văn vũ trụ Hubble thực hiện – và đã định vị được các phát xạ phóng xạ đi kèm, hay “kilonova”. Hubble đã quan sát thấy lóe sáng nhạt dần trong tiến trình sáu ngày, như thể hiện trong các quan trắc này, thực hiện vào các ngày 22, 26 và 28 tháng Tám (khung hình nhỏ). (Ảnh: NASA, ESA)
Các kênh phối hợp
Mãi cho đến buổi giao thời của thế kỉ 20, các nhà thiên văn học vẫn dựa trên ánh sáng để tìm hiểu về vũ trụ. Nhưng kể từ khi thiên văn học vô tuyến ra đời vào thập niên 1930, các nhà thiên văn đã mở rộng tầm nhìn của chúng ta về vũ trụ và ngày nay chúng ta có thể quan sát vũ trụ trên toàn phổ điện từ và bằng cách dò tìm các “kênh” vũ trụ khác như tia vũ trụ, neutrino và mới đây nhất là sóng hấp dẫn. Thiên văn học đa kênh có mục tiêu kết hợp thông tin từ mọi kênh vũ trụ này, để tối đa hóa cái chúng ta có thể tìm hiểu về những hiện tượng ở xa. Nói chung, mỗi kênh mang thông tin bổ sung về nguồn phát – dù đó là một sao, một quasar hay một thiên hà – và vì thế đa kênh mang lại một sự hiểu biết đầy đủ hơn.
Ngoài Mặt Trời của chúng ta ra, hiện tượng vũ trụ đầu tiên được quan sát qua nhiều kênh là một vụ nổ sao siêu mới vào năm 1987. Sự kiện ấy, tên gọi là Sao siêu mới 1987A, xảy ra ở láng giềng vũ trụ của chúng ta, Đám mây Magellan Lớn, cách chúng ta chừng 170.000 năm ánh sáng. Vụ nổ sáng đến mức bạn có thể nhìn thấy nó bằng mắt trần. Ngoài ánh sáng nhìn thấy, bốn thí nghiệm khác nhau, ở Nhật Bản, Nga, Mĩ, và châu Âu, đã phát hiện 25 neutrino đến từ phần lõi co sụp của ngôi sao đang chết tạo ra sao siêu mới ấy.
Các tìm kiếm đa kênh liên quan đến sóng hấp dẫn đã bắt đầu vào đầu thập niên 2000 khi đài thiên văn song sinh LIGO ở Mĩ bắt đầu đi vào hoạt động. Vào năm 2010, cộng đồng thiên văn học toàn cầu đã thiết lập một mạng lưới quy mô rộng bao gồm các kính thiên văn, đài thiên văn vô tuyến, vệ tinh tia gamma và tia X, và các detector neutrino để tìm kiếm các phát xạ đến từ các nguồn sóng hấp dẫn. Nhưng để có được phát hiện rõ ràng đầu tiên, chúng ta đã phải chờ đến tận năm 2017.
Các cặp đôi nặng
Sao neutron ra đời trong sự co sụp khủng khiếp của các sao rất nặng. Vật chất trong các sao chịu sự nhiệt hạch hạt nhân, tạo ra đa dạng nguyên tố, nặng nhất trong số chúng là sắt, nó chìm vào trong tâm, tạo thành một lõi sắt. Cái lõi này cuối cùng có thể nặng đến mức nó co sụp dưới sức nặng của riêng nó, hiện tượng xảy ra khi lực đẩy điện của các nguyên tử không còn có thể chế ngự lực hút hấp dẫn của lõi. Sự co sụp đó sẽ bị chặn lại, bởi các lực hạt nhân trở nên quan trọng một khi mật độ của lõi đạt tới mật độ của hạt nhân nguyên tử. Kết quả cuối cùng là một ngôi sao chết rất nhỏ, nhưng rất nặng, khối lượng chừng bằng Mặt Trời của chúng ta. Về cơ bản nó là một hạt nhân nguyên tử khổng lồ, gồm chủ yếu là neutron; vì thế mà có tên gọi sao neutron. Các sao đang co sụp thường tạo ra một sao siêu mới.
Va chạm sao neutron lâu nay là một trong những mục tiêu chính của các tìm kiếm sóng hấp dẫn. Trước hết, kích cỡ nhỏ và khối lượng lớn của chúng khiến chúng là nguồn sản sinh sóng hấp dẫn rất tốt. Thứ hai, các nhà khoa học vẫn ngờ ngợ rằng các va chạm như thế phải xảy ra thường xuyên, nhờ việc quan trắc các vụ nổ tia gamma và các sao đôi neutron trong Ngân Hà của chúng ta. Đôi khi hai sao neutron ghép cặp thành một cặp đôi trong đó chúng liên kết hấp dẫn với nhau, và quay xung quanh nhau ở cự li gần. Thật vậy, đa số các sao lớn trong vũ trụ đều ra đời theo cặp. Khi các sao trong một cặp đôi co sụp và phát nổ dưới dạng sao siêu mới, chúng đều có thể để lại một sao neutron, trở thành một hệ sao neutron đôi. Hoặc, các sao neutron ra đời độc lập có thể tình cờ chạm trán nhau và trở nên liên kết hấp dẫn. Kịch bản thứ hai này có thể xảy ra ở những nơi có mật độ lớn sao neutron, ví dụ như tâm của các thiên hà.
Ảnh phổ này kết hợp tín hiệu từ cả hai detector LIGO cho thấy tín hiệu “chip chip” đặc trưng khi các sao chuyển động xoắn ốc vào trong. Khi hai sao neutron càng tiến về gần nhau, xoay vòng nhanh hơn, chúng tạo ra sóng hấp dẫn tần số cao hơn được thể hiện bởi đường màu xanh vắt lên trên. (Ảnh: LSC/Alex Nitz)
Những ngôi sao đậm đặc, liên kết chặt chẽ này có thể quay xung quanh nhau trong hàng tỉ năm trời, nhưng theo thời gian, quỹ đạo này từ từ thu nhỏ lại do sự phát xạ sóng hấp dẫn. Quá trình này còn xảy ra nhanh hơn khi quỹ đạo thu nhỏ - ngay trước khi các sao neutron sáp nhập, chúng quay xung quanh nhau khoảng một nghìn vòng mỗi giây, ở tốc độ có thể sánh với tốc độ ánh sáng. Vũ điệu chung cuộc này, khoảng vài phút trước khi cuối cùng chúng rơi vào nhau, tạo ra một tín hiệu sóng hấp dẫn mạnh được phát hiện bởi LIGO và bởi Virgo ở Italy. Khi các sao neutron cuối cùng sáp nhập, chúng tạo ra một sao neutron nặng hơn nữa, quay tròn nhanh. Tuy nhiên, vật thể mới này thường quá nặng thành ra lực hạt nhân và các lực khác không chịu nổi sức nặng của chúng, và chúng nhanh chóng tiếp tục co sụp. Kết quả cuối cùng có khả năng nhất là một lỗ đen.
Phần lớn vật liệu từ hai sao neutron tạo thành lỗ đen, nhưng một phần vật chất tán xạ ra bên ngoài trong lúc sáp nhập. Vật chất này tạo thành một cái đĩa bồi tụ vây xung quanh lỗ đen ở giữa, kiểu na ná như các vành sao Thổ, và từ từ bị lỗ đen tiêu thụ. Thật vậy, khi vật liệu ấy bị nuốt vào lỗ đen, một cái vòi hạt năng lượng cao bắn vọt ra, lái một phần vật liệu ra bên ngoài và tạo ra một vụ nổ tia gamma. Khi vòi hạt đi qua chất khí giữa các sao, nó chậm dần và tạo ra một bức xạ le lói – ban đầu là tia X, rồi đến ánh sáng nhìn thấy, và cuối cùng là sóng vô tuyến.
Vật liệu tán xạ xung quanh lỗ đen còn tạo ra một dạng bức xạ kì lạ khác. Vật chất sao neutron bị xé toạc lúc hợp nhất là những hạt nhân nặng giàu neutron, vật liệu ưa chuộng cho sự hình thành các nguyên tố nặng. Một số nguyên tố này sẽ có tính phóng xạ, và sự phân hủy của chúng sẽ tạo ra những lượng lớn bức xạ sau đó. Sự phát tia phóng xạ này, gọi là “kilonova”, là nguồn gốc chủ yếu của bức xạ tử ngoại, nhìn thấy và hồng ngoại được quan sát thấy từ sự kiện hợp nhất sao neutron.
Khám phá đa kênh
Việc quan sát sự hợp nhất của hai sao neutron thông qua sóng hấp dẫn và trên khắp phổ điện từ là một quá trình kéo dài hàng tuần, và nó vẫn là một sự kiện vũ trụ đang diễn ra. Sau những báo cáo đầu tiên về việc phát hiện, đã có một luồng tin tức từ khắp thế giới cung cấp một bức tranh hào hứng, thời gian thực về hiện tượng đang diễn ra. Thông tin về các quan trắc được chia sẻ giữa hàng nghìn nhà khoa học có liên quan, với gần 100 đài thiên văn đang hợp tác – dữ liệu thu thập bởi một detector hoặc một kính thiên văn giúp cho detector hoặc kính thiên văn khác hướng đến bộ phận đúng của bầu trời. Đã có đến 200 thông báo điện tử loan báo một thông tin nào đó về phát hiện ấy.
Cho đến nay, chúng ta đã quan sát sóng hấp dẫn, tia gamma, tia X, tia tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại, và các phát xạ vô tuyến từ vụ hợp nhât sao neutron này, và dư hậu của nó. Nhưng cũng thú vị không kém là cái chúng ta đã không quan sát – đó là các photon năng lượng cao nhất và các neutrino, với năng lượng vượt quá một tỉ electron volt. Việc không phát hiện này cho biết cái xảy ra sau va chạm, ví dụ như làm thế nào các mảnh vụn còn sót lại từ sao neutron có thể tác dụng như một máy gia tốc hạt năng lượng cao. Các nhà khoa học kì vọng tiếp tục phát hiện sóng vô tuyến đến từ các mảnh vụn mà vụ va chạm để lại trong hàng năm, và vì thế câu chuyện còn lâu mới kết thúc.
Chúng ta đã học được những gì?
Hai sao neutron đang va chạm ẩy ở cách Trái Đất chỉ 130 triệu năm ánh sáng, gần hơn nhiều so với cái chúng ta kì vọng cho một sự kiện như thế. Sự gần gũi này có nghĩa là chúng ta có thể quan sát bức xạ lâu hơn và chi tiết hơn, đem lại một nguồn thông tin phong phú. Các nhà khoa học vẫn đang phân tích dữ liệu quan trắc hàng loạt, nhưng một số kết quả then chốt đã được làm sáng tỏ.
Các vụ hợp nhất sao neutron có thể là nguồn gốc chính của các nguyên tố nặng trong vũ trụ. Các nguyên tố nặng hơn sắt, ví dụ như vàng và bạch kim, chỉ có thể hình thành trong một plasma giàu neutron. Quan trắc hiện nay cho thấy các vụ hợp nhất sao neutron là địa điểm thích hợp để tạo ra phần lớn các nguyên tố nặng nhất. Trong một thời gian dài, các nhà khoa học vẫn ngờ rằng sao siêu mới là nguồn sinh chính, nhưng nay điều này dường như là không thể.
Có thể đo tốc độ dãn nở của vũ trụ bằng các vụ hợp nhất sao neutron. Nếu chúng ta biết một vụ va chạm ở xa bao nhiêu, và độ lệch đỏ bằng bao nhiêu, thì ta có thể dùng nó để đo tốc độ vũ trụ đang dãn nở. Khoảng cách được đo bằng tín hiệu sóng hấp dẫn, và độ lệch đỏ được đo qua phổ điện từ của thiên hà chứa các sao neutron đó. Liên hệ khoảng cách-độ lệch đỏ thu được mô tả tốc độ dãn nở của vũ trụ. Hiện nay có hai phương tiện khác để đo tốc độ dãn nở: một cách sử dụng các vụ nổ sao siêu mới, còn cách kia nhìn vào bức xạ nền vi sóng vũ trụ. Tốc độ dãn nở tính bằng hai kĩ thuật này hiện nay không ăn khớp với nhau, và chúng ta chẳng biết vì sao. Vì thế người ta hào hứng đón xem các tín hiệu sóng hấp dẫn trong tương lai có thể phân xử tình huống hay không.
Chúng ta có một giới hạn trên mới đối với khối lượng của sao neutron. Chúng ta biết rằng sao neutron không thể lớn tùy ý được. Vào một lúc nào đó, lực hút hấp dẫn trở nên quá mạnh để chặn đứng sự tiêu thụ toàn bộ ngôi sao, khi đó nó co sụp thành một lỗ đen. Tuy nhiên, chẳng rõ các sao neutron có thể nặng bao nhiêu trước khi hiện tượng này xảy ra. Trước đây, các nhà khoa học cho rằng giới hạn trên cho hiện tượng này là khoảng 2,8 khối lượng Mặt Trời. Nhưng dựa trên quan sát của chúng ta về vụ va chạm và dư hậu của nó, cũng như những mô phỏng số phức tạp, ngày nay ta có thể nói rằng khối lượng tối đa của một sao neutron không quay tròn có thể chẳng lớn hơn 2,2 lần khối lượng Mặt Trời của chúng ta. Giới hạn này có ý nghĩa hơn vì nó gần với khối lượng của các sao neutron nặng nhất từng được phát hiện cho đến nay.
Các sao neutron trong hệ GW170817 quay xung quanh nhau trong hàng tỉ năm trước khi va chạm. NGC 4993, thiên hà chủ trong đó vụ va chạm xảy ra, không biểu hiện dấu hiệu nào của sự hình thành sao. Điều này có nghĩa là các sao đã co sụp và sinh ra sao neutron phải ra đời cách nay rất lâu, ước chừng hàng tỉ năm. Các sao rất lớn sống nhanh và chết trẻ, còn các sao nhỏ hơn, như Mặt Trời của chúng ta, sống rất lâu.
Các sao neutron đang va chạm tạo ra một vụ nổ tia gamma. Các nhà khoa học đã dự đoán trong hàng thập niên qua rằng ít nhất một số vụ nổ tia gamma ngắn mà chúng ta quan sát thấy được tạo ra bởi sự va chạm của hai sao neutron, nhưng đây là lần đầu tiên một kết nối như thế được xác lập rõ ràng.
Có cái gì đó kì lạ về vòi hạt năng lượng cao. Vụ nổ tia gamma mà chúng ta quan sát thấy từ vụ hợp nhất này đặc biệt yếu hơn, so với các phát hiện trước đây, nhưng tại sao lại như vậy thì vẫn còn bí ẩn. Ngoài ra, chúng ta chẳng biết lí do vì sao có một sự trễ rất dài trước khi chúng ta quan sát thấy bất kì phát xạ tia X và phát xạ vô tuyến nào, chúng thường được phát hiện rất sớm sau một vụ nổ tia gamma. Cái cũng thú vị là chúng ta chẳng quan sát thấy photon năng lượng cao hay neutrino nào đến từ một sự kiện ở gần. Có khả năng vòi hạt năng lượng cao đang hướng ra xa Trái Đất, nên chúng ta chỉ có thể nhìn thấy từ “một bên”. Hoặc có lẽ vòi hạt cần cày xới qua mảng vụn xung quanh tàn dư vụ hợp nhất. Câu trả lời vẫn còn ẩn náu.
Đẹp gấp đôi
LIGO và Virgo hiện đã ngừng hoạt động khoảng một năm, trong thời gian đó chúng sẽ được nâng cấp để hoạt động nhạy hơn trong kì quan sát tiếp theo. Với độ nhạy mới của chúng, chúng có thể đi đến phát hiện các vụ hợp nhất sao neutron và lỗ đen ở tốc độ gấp đôi kì trước đây, hứa hẹn nhiều khám phá thú vị. Thực tế chúng ta quan sát thấy một vụ va chạm sao neutron thậm chí với độ nhạy hạn chế đồng nghĩa là chúng ta có thể kì vọng quan sát thấy nhiều vụ va chạm sao neutron hơn khi độ nhạy LIGO được cải tiến thêm.
Đáng chú ý, tốc độ dự kiến phù hợp với cái chúng ta đã dự đoán trước đây từ các quan sát khác, ví dụ như các quan sát về vụ nổ tia gamma (trong đó nguồn phát là chưa rõ) hoặc chỉ quan sát các hệ sao neutron đôi trong thiên hà của chúng ta, thời gian lâu trước khi chúng hợp nhất. Một khi LIGO và Virgo được nâng cấp xong và tăng gấp đôi độ nhạy, các detector sẽ có thể quan sát các va chạm ở cự li xa gấp đôi hiện nay, tương ứng với khoảng 10 lần thể tích vũ trụ mà từ đó chúng ta có thể phát hiện các vụ hợp nhất. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể thấy một va chạm sao neutron mỗi tháng.
Số lượng lớn phát hiện nghĩa là sẽ vui hơn, đồng thời chúng ta cũng sẽ xử lí tốt hơn đối với những bí ẩn hiện nay xung quanh sao neutron. Nhiều phát hiện hơn cũng sẽ có nghĩa là chúng ta hi vọng nhìn thấy một số sự kiện kém phổ biến hơn, như là một vụ sáp nhập hỗn hợp của một sao neutron và một lỗ đen, chúng có thể cung cấp những cái nhìn hữu ích về những hiện tượng cực độ trong vũ trụ.
Khám phá sóng hấp dẫn đến từ sự va chạm của hai sao neutron, và làn sóng phát hiện điện từ sau đó, là một thời khắc khoa học mang tính lịch sử đã khép lại hàng thập niên nghiên cứu và sẽ được xem là một tiền phương mới trong lĩnh vực thiên văn học đa kênh. Với một chút may mắn, vài năm sắp tới sẽ chứng kiến số lượng khám phá tăng nhanh chóng sẽ mở rộng kiến thức của chúng ta về những sự kiện vũ trụ cực độ nhất và sự tiến hóa của vũ trụ của chúng ta, đồng thời cho phép chúng ta khảo sát các giả thuyết vật lí cơ bản khó kiểm tra trên Trái Đất. Đó sẽ là một hành trình vĩ đại, với sự tiến bộ của dữ liệu.
Hơn 70 đài thiên văn, trên Trái Đất và trên vũ trụ, đã quan sát vụ va chạm sao neutron GW170817. (Ảnh: LIGO-Virgo)
Lịch thời gian của một va chạm
-60 giây. Lần đầu tiên, sóng hấp dẫn đến từ các sao neutron bắt đầu xuất hiện trong dữ liệu LIGO và Virgo.
0 giây. Hai sao neutron hợp nhất.
2 giây. Vệ tinh Fermi phát hiện một vụ nổ tia gamma.
14 giây. Vệ tinh Fermi gửi thông điệp tự động về việc khám phá.
6 phút. Phần mềm LIGO-Virgo nhận dạng một tín hiệu.
40 phút. Cộng đồng thiên văn học được thông báo về việc phát hiện sóng hấp dẫn.
1 giờ. Những kết quả neutrino đầu tiên xuất hiện từ đài thiên văn IceCube – không thấy neutrino nào.
5 giờ. Dữ liệu sóng hấp dẫn LIGO và Virgo được kết hợp để lập bản đồ chính xác của hướng nguồn phát.
11 giờ. Phát hiện quang học đầu tiên được báo cáo bởi Kính thiên văn Swope, đồng thời nhận ra thiên hà chủ. Năm đài thiên văn khác cùng chụp ảnh quang học của sự kiện một cách độc lập nhau trong vòng một giờ sau Swope.
15 giờ. Vệ tinh Swift phát hiện sự phát xạ tử ngoại, cường độ mạnh.
17 giờ. Phổ quang học của sự kiện được đo lần đầu tiên bởi Kính thiên văn 6,5 m Magellan.
9 ngày. Vệ tinh Chandra báo cáo quan sát tia X đến từ sự kiện.
15 ngày. Đài thiên văn Ma trận Rất Lớn phát hiện sự phát xạ vô tuyến.
Nguồn: Physics World
