Các nhà thiên văn học đã sử dụng JWST của NASA và các kính thiên văn khác để phát hiện các vụ nổ tia gamma sáng do va chạm sao neutron tạo ra, cho phép quan sát trực tiếp lần đầu tiên các kim loại nặng như Tellurium trong không gian. Khám phá này làm sáng tỏ nguồn gốc của các nguyên tố nặng trong vũ trụ.

Một vụ nổ ánh sáng năng lượng cao bất thường trên bầu trời đã hướng các nhà thiên văn học đến một cặp sao neutron rèn kim loại cách Trái đất 900 triệu năm ánh sáng. Sử dụng nhiều đài quan sát, các nhà thiên văn học đã phát hiện trực tiếp Tellurium trong hai sao neutron đang hợp nhất.

Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế, bao gồm các nhà khoa học của MIT, báo cáo trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature rằng họ đã phát hiện ra một vụ nổ tia gamma cực sáng (Gbps), loại vụ nổ mạnh nhất được biết đến trong vũ trụ. Vụ nổ tia gamma đặc biệt này là vụ nổ sáng thứ hai từng được phát hiện và các nhà thiên văn học sau đó đã tìm ra nguồn gốc của nó là do hai sao neutron đang hợp nhất. Sao neutron là lõi cực đặc của những ngôi sao lớn đã sụp đổ và được cho là nơi sản sinh ra nhiều kim loại nặng trong vũ trụ.

Bằng chứng về kim loại nặng trong không gian

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi những ngôi sao này quay tròn với nhau và cuối cùng hợp nhất, chúng giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ dưới dạng Gbps. Hơn nữa, lần đầu tiên, các nhà thiên văn học đã trực tiếp phát hiện dấu hiệu của kim loại nặng trong tàn tích của các ngôi sao. Cụ thể, họ thu được tín hiệu rõ ràng về Tellurium, một kim loại nặng hơi độc và hiếm hơn bạch kim trên Trái đất nhưng được cho là có rất nhiều trong vũ trụ.

Theo quan niệm của nghệ sĩ này, hai sao neutron bắt đầu hợp nhất, phóng ra các tia hạt tốc độ cao và tạo ra các đám mây mảnh vụn. Nguồn: A. Simonnet (Đại học bang Sonoma) và Trung tâm bay vũ trụ Goddard

Các nhà thiên văn học ước tính rằng vụ sáp nhập đã giải phóng đủ Tellurium bằng khối lượng của 300 Trái đất. Nếu có mặt Tellurium, sự hợp nhất chắc chắn cũng đã khuấy động các nguyên tố có liên quan chặt chẽ khác, chẳng hạn như iốt, một chất dinh dưỡng khoáng chất cần thiết cho hầu hết sự sống trên Trái đất.

Nỗ lực thiên văn học toàn cầu

Phát hiện này là kết quả của nỗ lực chung của các nhà thiên văn học trên khắp thế giới, những người đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) của NASA và các kính viễn vọng trên mặt đất và trên không gian khác, bao gồm cả kính viễn vọng của NASA Vệ tinh TESS (một sứ mệnh do MIT dẫn đầu) và Kính thiên văn Rất lớn (VLT) của Chile.

Benjamin Schneider, đồng tác giả của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Vật lý thiên văn và Nghiên cứu Vũ trụ Kavli của MIT, cho biết: "Khám phá này là một bước tiến quan trọng trong hiểu biết của chúng ta về nơi các nguyên tố nặng được hình thành trong vũ trụ và nó chứng tỏ cách kết hợp các quan sát ở các bước sóng khác nhau. Để tiết lộ những hiểu biết mới về sức mạnh của những nguyên tố cực kỳ năng lượng này." vụ nổ."

Nghiên cứu được đồng chủ trì bởi Andrew Levan từ Đại học Radboud ở Hà Lan và Đại học Warwick ở Anh.

Vào ngày 7 tháng 3 năm 2023, Kính viễn vọng Không gian tia Gamma Fermi của NASA đã phát hiện vụ nổ đầu tiên và xác định rằng đó là vụ nổ tia gamma sáng bất thường, mà các nhà thiên văn học đặt tên là GRA230307A.

Michael Fasnow từng là nhà khoa học nghiên cứu tại MIT và hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Công nghệ Texas. “Trong thiên văn học tia gamma, bạn thường đếm từng photon riêng lẻ. Nhưng với quá nhiều photon đi vào, máy dò không thể phân giải từng photon riêng lẻ, và nó giống như việc tăng tối đa máy đo vậy.”

Hình ảnh trường sao JWST/NIRCam của GRAPH230307A hiển thị kilonova liên quan và thiên hà chủ của nó. Nguồn hình ảnh: NASA, ESA, CSA, STScI, AndrewLevan (IMAPP, Warw)

Vụ nổ siêu sáng này cũng đặc biệt dài, kéo dài 200 giây, trong khi các vụ sáp nhập sao neutron thường tạo ra các λλκκκ ngắn nhấp nháy trong chưa đầy 2 giây. Ngọn lửa sáng và kéo dài này ngay lập tức thu hút sự quan tâm trên toàn thế giới và các nhà thiên văn học đã nghiên cứu rất nhiều kính thiên văn khác về vụ nổ. Lần này, độ sáng của vụ nổ tia gamma có lợi cho các nhà khoa học vì ngọn lửa tia gamma được các vệ tinh trên hệ mặt trời phát hiện. Bằng cách tam giác hóa những quan sát này, các nhà thiên văn học đã xác định chính xác vị trí của vụ nổ tia gamma ở chòm sao phía nam Montenegro.

Tại MIT, Schneider và Fasnow đã tham gia một cuộc tìm kiếm theo nhiều hướng. Ngay sau khi Fermi lần đầu tiên phát hiện ra Gbps230307A, Fausnaugh đã kiểm tra xem liệu vụ nổ có xuất hiện trong dữ liệu do vệ tinh TESS thu thập hay không, dữ liệu này tình cờ hướng vào cùng một vùng bầu trời nơi phát hiện lần đầu tiên Gbps230307A. Fausnaugh quay lại và xem phần dữ liệu TESS đó, phát hiện ra vụ nổ và sau đó theo dõi hoạt động của nó từ đầu đến cuối.

"Chúng ta có thể nhìn thấy mọi thứ cùng một lúc," Fausnaugh nói. "Chúng tôi nhìn thấy một tia sáng rất sáng theo sau là một chỗ phình nhỏ hoặc vầng hào quang. Đó là một đường cong ánh sáng rất độc đáo. Nếu không có TESS, gần như không thể quan sát được tia sáng quang học ban đầu xảy ra cùng lúc với tia gamma."

Trong khi đó, Schneider nghiên cứu vụ nổ bằng một kính viễn vọng trên mặt đất khác: Kính thiên văn Rất lớn (VLT) ở Chile. Là thành viên của dự án quan sát vụ nổ tia gamma lớn hoạt động trên kính thiên văn này, Schneider tình cờ có mặt ngay sau lần quan sát đầu tiên của Fermi và hướng kính thiên văn vào vụ nổ.

VLT quan sát khớp với dữ liệu TESS và tiết lộ một mô hình đặc biệt không kém: phát xạ Gbps dường như chuyển đổi nhanh chóng từ bước sóng xanh sang đỏ. Kiểu này là đặc trưng của kilonova - một vụ nổ lớn thường xảy ra khi hai sao neutron va chạm nhau. Phân tích của nhóm MIT, kết hợp với các quan sát khác từ khắp nơi trên thế giới, đã giúp xác định rằng tia gamma này có khả năng là sản phẩm của sự hợp nhất của hai sao neutron.

Theo dõi các vụ sáp nhập sao neutron

Sự hợp nhất bắt nguồn từ đâu? Để làm được điều này, các nhà thiên văn học chuyển sang quan sát trường sâu của JWST, vì JWST có thể nhìn xa hơn bất kỳ kính thiên văn nào khác. Các nhà thiên văn học đã sử dụng JWST để quan sát Gbps230307A, với hy vọng tìm ra thiên hà chủ nơi sao neutron hình thành. Hình ảnh từ kính viễn vọng cho thấy, điều kỳ lạ là GRAPH dường như không được kết nối với bất kỳ thiên hà chủ nào. Nhưng dường như có một thiên hà ở gần đó, cách chúng ta khoảng 120.000 năm ánh sáng. Quan sát từ kính thiên văn

cho thấy những ngôi sao neutron này đã bị đẩy ra khỏi các thiên hà gần đó. Rất có thể chúng được hình thành dưới dạng một cặp sao lớn trong hệ nhị phân. Cuối cùng, cả hai ngôi sao đều sụp đổ thành sao neutron và trong một sự kiện mạnh mẽ, cặp đôi này đã bị "đuổi" ra khỏi thiên hà quê hương, khiến chúng phải trốn đến một địa điểm mới, nơi chúng từ từ quay vòng quanh nhau trước khi hợp nhất hàng trăm triệu năm sau đó.

Trong số các bức xạ năng lượng cao được tạo ra bởi vụ sáp nhập, JWST cũng phát hiện được tín hiệu rõ ràng về Tellurium. Trong khi hầu hết các ngôi sao có thể tạo ra các nguyên tố nhẹ dưới mức sắt, người ta cho rằng tất cả các nguyên tố nặng khác trong vũ trụ đều được hình thành trong những môi trường khắc nghiệt hơn như sự hợp nhất sao neutron. Việc JWST phát hiện ra Tellurium xác nhận thêm rằng vụ nổ tia gamma ban đầu được tạo ra bởi sự hợp nhất của các sao neutron.

Schneider cho biết: "Đây mới chỉ là khởi đầu cho JWST và nó đã tạo ra sự khác biệt lớn. Trong những năm tới, sẽ có thêm nhiều vụ sáp nhập sao neutron được phát hiện. Sự kết hợp giữa JWST và các đài quan sát mạnh mẽ khác sẽ rất quan trọng trong việc tiết lộ bản chất của những vụ nổ cực độ này."