Bằng chứng quang phổ đầu tiên rằng các nguyên tố nặng được sản tạo bởi sự hợp nhất của hai sao neutron đã được tìm thấy bởi một đội khoa học quốc tế. Bằng cách phân tích ánh sáng thu được bởi Kính thiên văn Rất Lớn ở Chile, đội nghiên cứu đã chỉ ra rằng strontium được tạo ra trong một vụ nổ “kilonova” khủng khiếp diễn ra sau một vụ hợp nhất như thế. Ngoài việc xác nhận sự hợp nhất sao neutron là một nguồn sinh đáng kể của các nguyên tố nặng, nghiên cứu còn cung cấp bằng chứng quang phổ đầu tiên rằng sao neutron chứa vật chất giàu neutron.
Các nhà vật lí biết rằng hydrogen và helium đã được tạo ra không bao lâu sau vụ nổ lớn và các nguyên tố nặng hơn lên tới và bao gồm sắt được hình thành bởi sự hợp hạch bên trong các sao. Song nguồn gốc của 64 nguyên tố xuất hiện tự nhiên nặng hơn sắt thì khó xác định. Một nguồn sinh tiềm năng là các sao nhánh khổng lồ tiệm cận (AGB – asymtotic giant branch), chúng là các vật thể nguội và phát sáng. Quá trình bắt giữ neutron chậm (quá trình-s) của sự tổng hợp hạt nhân được cho là xảy ra trong các sao này, tạo ra khoảng một nửa lượng nguyên tố nặng trong vũ trụ.
Một nửa còn lại được cho là được tạo ra bởi quá trình bắt giữ neutron nhanh (quá trình-r) của sự tổng hợp hạt nhân. Quá trình này đòi hỏi thông lượng neutron rất lớn và được tin là nguồn sinh tạo các nguyên tố xuất hiện tự nhiên nặng nhất, ví dụ như vàng, bạch kim và uranium.
Ảnh minh họa hai sao neutron hợp nhất. Ảnh: Mark Garlick/Đại học Warwick
Mặc dù quá trình-r được đề xuất lần đầu tiên cách nay chừng 60 năm, song người ta vẫn chưa rõ các thông lượng neutron như thế có thể xuất hiện ở đâu. Vào tháng Tám 2017, các nhà thiên văn đã chứng kiến sự va chạm của hai sao neutron đem lại một vụ nổ kilonova và tạo ra một lỗ đen. Sự kiện này liên quan đến sự gia tốc dữ dội của lượng neutron khủng khiếp, khiến nó là một ứng viên hàng đầu cho sự tổng hợp hạt nhân quá trình-r.
Phân tích ban đầu về ánh sáng từ sự kiện này – được đặt tên là GW170817 – làm lộ ra một ánh lóe được quy cho sự phân hủy phóng xạ của các nguyên tố nặng. Điều này được giải thích là bằng chứng mạnh mẽ rằng các vụ hợp nhất sao neutron là nguyên nhân cho một nửa còn lại của các nguyên tố nặng trong vũ trụ.
Nay một đội quốc tế dưới sự chỉ đạo của Darach Watson tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen là nhóm đầu tiên phát hiện dấu hiệu quang phổ của một trong những nguyên tố nặng đó trong ánh sáng đến từ kilonova. Nguyên tố đó là strontium, nó có một đặc trưng quang phổ mạnh ở một bước sóng quan sát chừng 810 nm (trên ranh giới giữa ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại). Trong khi người ta nghĩ phần lớn strontium được tạo ra bởi quá trình-s, khoảng 30% được quy cho sự tổng hợp hạt nhân quá trình-r.
“Trước khi có kết quả này, chúng tôi không thể nhận dạng bất kì nguyên tố đặc biệt nào được tạo ra trong một vụ hợp nhất sao neutron,” Watson cho biết, ông mô tả quan sát này là “bằng chứng không thể chối cãi” rằng các nguyên tố nặng được tạo ra trong các sự kiện kilonova.
Việc chứng kiến strontium tương đối nhẹ xuất hiện thì có chút bất ngờ bởi lẽ người ta nghĩ rằng chỉ những nguyên tố nặng nhất mới được tạo ra trong các va chạm sao neutron. Thành viên đội nghiên cứu, Janatan Selsing bình luận, “Bây giờ chúng ta biết rằng đầu nhẹ của họ nguyên tố nặng cũng được tạo ra trong những vụ hợp nhất này…nó cho chúng ta biết rằng các va chạm sao neutron tạo ra một ngưỡng rộng nguyên tố nặng, từ nhẹ nhất cho đến cực kì nặng.”
Watson và các đồng sự còn chỉ ra rằng việc phát hiện strontium của họ là bằng chứng quang phổ đầu tiên rằng sao neutron được làm chủ yếu bằng neutron. Bằng chứng này xuất hiện gần đúng 85 năm sau khi sự tồn tại của các sao neutron được giả định lần đầu tiên bởi Walter Baade và Fritz Zwicky.
Đội nghiên cứu hiện đang hướng tới tìm kiếm bằng chứng quang phổ cho các nguyên tố nặng hơn trong ánh sáng đến từ GW170817. Các ứng viên tiềm năng bao gồm barium và các lanthanide – chúng có đặc trưng quang phổ mạnh tại các bước sóng ngắn hơn khoảng 650 nm.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
